电力转换装置的制造方法

文档序号:10557356阅读:197来源:国知局
电力转换装置的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种对永磁体同步电动机进行变速控制的电力转换装置,其包括:整流器;具有平滑电容器的直流中间电路;具有与上述直流中间电路的(+)电位侧连接的上臂侧的半导体元件和与上述直流中间电路的(?)电位侧连接的下臂侧的半导体元件,将由上述直流中间电路平滑后的直流电压转换为交流电压的逆变器;和检测上述逆变器中流动的电流的电流检测器,还包括控制电路,其进行控制,使得在停止从上述电力转换装置向上述永磁体同步电动机的电力输出之后,在上述上臂侧的半导体元件和上述下臂侧的半导体元件中的一个臂侧的一个以上的半导体元件导通,并且另一个臂侧的全部半导体元件关断,在上述电流检测器中检测出规定的电流的情况下,输出表示上述永磁体同步电动机正在旋转的信号。
【专利说明】
电力转换装置
技术领域
[0001 ]本发明涉及驱动永磁体同步电动机的电力转换装置。
【背景技术】
[0002]在专利文献I的段落
[0008]中,公开了:“具备直流电源、逆变器装置和连接在所述直流电源与所述逆变器装置之间的滤波电容器,用所述逆变器装置驱动至少I台以上的同步电动机,在惯性旋转时所述同步电动机的感应电压成为第一基准值以上的情况下,使所述直流电源工作以使所述逆变器装置的直流侧的电压成为基于所述感应电压设定的第二基准值以上。”
[0003]现有技术文献
[0004]专利文献
[0005]专利文献1:日本特开2010-154661号公报

【发明内容】

[0006]发明要解决的技术问题
[0007]永磁体同步电动机用磁体生成磁通Φ,所以即使不对同步电动机供给电源而进行惯性旋转的情况下,也在同步电动机的端子中发生与其转速成比例的正弦波状的速度电动势。
[0008]但是,关于电力转换装置因某种原因停止输出时,在同步电动机惯性旋转的状态下,电动机端子中总是产生速度电动势这一点,虽然在产品的使用说明书等中有记载,但是用户一般不具有电动机端子中总是产生电压(电动势)这一观念。
[0009]因此,在电力转换装置与永磁体同步电动机的配线长度较长的情况下,在电力转换装置的设置场所不知道同步电动机正在旋转,存在误认为因为已经关断电力转换装置的输出所以没有问题从而不小心接触电力转换装置的输出端子的危险性。
[0010]本发明目的在于提供一种在电力转换装置的操作中也提醒用户注意的电力转换
目.0
[0011 ]用于解决问题的技术手段
[0012]为了达成上述目的,例如,本发明中,采用以下结构:一种对永磁体同步电动机进行变速控制的电力转换装置,其包括:整流器,其将交流电源的交流电压整流而转换为直流电压;直流中间电路,其具有使由上述整流器转换后的直流电压平滑的平滑电容器;逆变器,其包括与上述直流中间电路的(+ )电位侧连接的上臂侧的半导体元件和与上述直流中间电路的(_)电位侧连接的下臂侧的半导体元件,将由上述直流中间电路平滑后的直流电压转换为交流电压;和检测上述逆变器中流动的电流的电流检测器,上述电力转换装置还包括控制电路,上述控制电路进行控制,使得在停止了从上述电力转换装置向上述永磁体同步电动机的电力输出之后,上述上臂侧的半导体元件和上述下臂侧的半导体元件中的一个臂侧的一个以上的半导体元件导通,并且另一个臂侧的全部半导体元件关断,在上述电流检测器检测出规定的电流的情况下,输出表示上述永磁体同步电动机正在旋转的信号。
[0013]发明的效果
[0014]根据本发明,能够提供一种通过提醒用户注意而提高安全性的电力转换装置。
【附图说明】
[0015]图1是实施例的电力转换装置的结构图的一例。
[0016]图2是实施例的电力转换装置的其他结构图的一例。
[0017]图3是实施例的系统的单线接线图的一例。
[0018]图4是实施例的电压检测电路的一例。
[0019 ]图5是感应电动机和永磁体同步电动机的简易等效电路。
[0020]图6是实施例的永磁体同步电动机的旋转状态检测工作模式图和时序图的一例。[0021 ]图7是实施例的永磁体同步电动机的旋转状态检测工作模式图和时序图。
[0022]图8是实施例的永磁体同步电动机的旋转状态检测工作模式图。
[0023]图9是实施例的永磁体同步电动机的旋转状态检测工作模式图的另一例。
[0024]图10是实施例的永磁体同步电动机的旋转状态检测工作模式图的另一例。
[0025]图11是实施例的永磁体同步电动机的旋转状态检测时序图的另一例。
[0026]图12是实施例的数字操作面板的显示例。
【具体实施方式】
[0027]实施例1
[0028]以下用【附图说明】本实施例1。其中,对于各图中共通的结构附加相同的参考编号。另外,本实施例1不限定于图示的例子。以下用【附图说明】实施例1中的电力转换装置的方式。图1是实施例1的电力转换装置的结构图的一例。
[0029]图1的电力转换装置10设置有用于对与负载装置11直接连接的PM电动机(以下称为永磁体同步电动机)供给电力的整流器1、平滑用电容器2、逆变器3、控制运算装置4、控制电路5、冷却风扇6、数字操作面板7、驱动电路8、直流电压检测电路9、开关稳压电路13、电压检测电路14而构成。图1中,示出了使用交流电源作为任意的输入电源的情况。整流器I将交流电力转换为直流电力。平滑用电容器2设置于直流中间电路中。
[0030]逆变器3将直流电力转换为任意频率的交流电力。逆变器3用由开关元件和与该开关元件并联连接的二极管构成的半导体元件构成。在逆变器3内,例如搭载IGBT作为代表性的开关元件。此处,开关元件不限定于IGBT,只要是具有作为开关元件的方式的元件即可。例如,也可以是作为具有超过硅(Si)的物性值极限的性能的宽带隙半导体元件的SiC(碳化硅)或GaN(氮化镓)等。
[0031]冷却风扇6对整流器I和逆变器3内的功率模块进行冷却。数字操作面板7设定、变更电力转换装置的各种控制数据,进行异常状态和监视显示。操作面板7中设置有能够显示异常的显示部,检测出电力转换装置中的异常时在该显示部显示。本实施例的操作面板7并不特别限定种类,但作为数字操作面板考虑装置使用者的操作性而构成为可以在观看显示部的显示的同时进行操作。
[0032]其中,显示部并非必须与操作面板7—体地构成,但优选一体构成以使操作面板7的操作者能够在观看显示的同时操作。从操作面板7输入的电力转换装置的各种控制数据保存在未图示的存储部中。
[0033]控制电路5基于由数字操作面板7输入的各种控制数据控制逆变器3的开关元件,同时起到负责电力转换装置10整体的控制的作用,搭载有控制运算装置4(例如微型计算机等),构成为可以与从数字操作面板7输入的各种控制数据相应地进行必要的控制处理。另夕卜,还构成为可以与从上级装置12(例如通信装置或无线装置或命令装置)输入的各种控制数据相应地进行必要的控制处理。
[0034]Sigl是通知永磁体同步电动机正在旋转还是已停止的警报输出信号。当然也可以将该警报信号对上级装置12发送。
[0035]虽然省略了内部结构,但控制运算装置4(例如微型计算机等)基于来自保存了各种控制数据的存储部的存储数据的信息进行运算。
[0036]电流检测器CT检测永磁体同步电动机的U相、W相的线电流。V相的线电流根据交流条件(iu+iv+iw = 0),按iv = -(iu+iw)求出。图1中示出了使用2个CT的例子,但也可以使用3个CT,检测U相、V相、W相的线电流。
[0037]驱动电路8基于来自控制电路5的指令驱动逆变器3的开关元件。在驱动电路8内搭载有开关稳压电路(DC/DC整流器)13,生成电力转换装置旋转所需的各直流电压,将其对各结构供给。
[0038]14是检测电力转换装置的输出端子的电压的电路。电力转换装置的输出被关断的情况下,检测永磁体同步电动机的速度电动势。
[0039]Rl端子和Tl端子是开关稳压电路13的电源端子。直流电压检测电路9检测构成直流中间电路的平滑用电容器2的电压。另外,不是供给交流电源、而是供给直流电源作为任意的输入电源的情况下,在直流中间电路的(+ )电位侧连接直流电源的+侧,在直流中间电路的(_)电位侧连接直流电源的-侧即可。进而,也可以将交流端子R、S和T连接,在该连接点处连接直流电源的+侧,在直流中间电路的(-)电位侧连接直流电源的-侧,也可以相反地,在直流中间电路的(+)电位侧连接直流电源的+侧,将交流端子R、S和T连接,在该连接点处连接直流电源的-侧。
[0040]图2是实施例的电力转换装置的其他结构图的一例。对于与图1共通的结构和相同的功能,附加相同的参考编号。与图1不同的是电流检测器的检测位置。
[0041 ] SHl、SH1、SHd是电流检测用的分流电阻电流检测器,SHI检测直流中间电路的(_)侧的电流,SHi与构成逆变器3的在直流中间电路的(-)电位侧连接的下臂的各开关元件的U相、V相和W相的IGBT连接,SHd与并联连接在各开关元件即IGBT上的二极管连接。
[0042]即,在电力转换装置的直流母线侧设置的分流电阻电流检测器SHi是检测各IGBT中流动的电流的电流检测器,分流电阻电流检测器SHd是检测与各IGBT并联连接的二极管中流动的电流的电流检测器。
[0043]用电力转换装置的直流母线侧设置的分流电阻电流检测器能够检测永磁体同步电动机中流动的电流。另外,分流电阻电流检测器SH1、SHd与构成逆变器3的在直流中间电路的(_)电位侧连接的下臂的由IGBT和二极管构成的半导体元件连接,但也可以与构成逆变器3的在直流中间电路的(+ )电位侧连接的上臂的由IGBT和二极管构成的半导体元件连接检测电流。
[0044]图3是实施例的系统的单线接线图的一例。NFB是无熔丝断路器,MC是电磁接触器,Rl端子和Tl端子是开关稳压电路13的电源端子。电力转换装置因某种异常而破坏的情况下,取决于破坏部件,在复位异常并再次起动时会对电力转换装置二次破坏,破坏程度扩大,所以为了防止该情况,而在电力转换装置异常时用电磁接触器MC关断主电源即对电力转换装置的输入R、S、T各端子的供电,从无熔丝断路器NFB的输出侧通过Rl端子和Tl端子使开关稳压电路13工作。这样从无熔丝断路器NFB的输出侧对Rl端子和Tl端子供给的结构的情况下,即使没有电力转换装置的主电源,也能够使电力转换装置内部的电源(例如微型计算机等数字系统的电源、开关元件的驱动电源、模拟系统的电源等)工作,所以即使电力转换装置因某种异常停止、关断上级的电磁接触器MC,也能够用电力转换装置内部的电源通过包括微型计算机的控制电路和驱动电路使开关元件导通/关断。因此,例如如果残留有永磁体同步电动机的速度电动势Es,则仅使下臂的开关元件UN的栅极电压导通(使VP、WP、UN、VN、WN关断)时必然流过电流,如果没有残留速度电动势Es则不流过电流。即,如果流过电流则同步电动机正在旋转,如果没有流过则已停止,这一点即使没有电力转换装置的主电源也能够判别。操作者能够确认异常显示等而正确地考虑对策。
[0045]正在用电力转换装置10驱动永磁体同步电动机的情况下,电力转换装置因某种异常(例如过电流、过电压、电压不足、瞬间停电等)而关断输出(输出停止)时永磁体同步电动机会惯性旋转。永磁体同步电动机用磁体生成磁通Φ,所以即使没有对同步电动机供给电源,正在惯性旋转的情况下,也总是在同步电动机的端子中发生与其转速成比例的正弦波状的速度电动势。关于永磁体同步电动机的速度电动势,用图5的(c)和(d)说明。
[0046]但是,电力转换装置与同步电动机的配线长度LL较长的情况下,在远离同步电动机的电力转换装置的设置场所,操作者不知道同步电动机正在旋转还是已停止。
[0047]该情况下,如果要使正在旋转的同步电动机重新起动,则因为同步电动机的磁极位置不明,所以同步电动机的磁极位置与电力转换装置的输出相位不同,因为同步电动机特有的失步现象而变得不能控制。
[0048]另外,电力转换装置因某种原因破坏而停止输出,所以在关断电力转换装置的电源之后,在同步电动机正在惯性旋转的状态下,因为没有电动机端子中总是发生速度电动势的观念,所以误认为已关断电力转换装置的输出所以没有问题,或者误认为同步电动机已停止,在为了交换电力转换装置而要拆除输出端子u、v、w的动力线时,存在接触输出端子u、v、w端子的瞬间因同步电动机的速度电动势而触电的危险性。
[0049]该情况下,如果开关稳压电路13通过Rl端子和Tl端子工作,则能够显示同步电动机正在旋转还是已停止,所以如果在确认同步电动机已停止后再进行维护则能够防止意外触电。
[0050]图4是实施例的电压检测电路的一例。用数字操作面板7预先选择同步电动机的“惯性旋转检测模式”时,在电力转换装置的输出被关断的情况下,检测永磁体同步电动机的速度电动势。永磁体同步电动机用磁体生成磁通Φ,所以即使没有供给电源,正在惯性旋转的情况下,也在同步电动机的端子中发生与其转速成比例的正弦波状的速度电动势Es。[0051 ]图4(a)中,用半波整流电路将电力转换装置的输出端子VW之间的速度电动势Vvw(=Es)转换为电压Vdl,用比较器与基准电压Vrl进行比较,转换为脉冲电压Vol。该信号被输入未图示的微型计算机,通过对脉冲进行计数而检测同步电动机是否旋转。实施例中,对与速度电动势成比例的脉冲进行计数,所以能够判别同步电动机的转速。即,因为可知转速Nr(al/fr),所以能够正确地判别同步电动机是否旋转。也可以控制为对脉冲进行计数而超过预先确定的值的情况下,输出表示永磁体同步电动机正在旋转的信号,在预先确定的值以下的情况下,输出表示上述永磁体同步电动机已停止的信号。当然,不限定为半波整流电路和比较器。
[0052]图4(b)中,用全波整流电路将电力转换装置的输出端子VW之间的速度电动势Vvw(=Es)转换为电压Vd2,用平滑电路进行波形整形并用比较器与基准电压Vr2进行比较,转换为电压Vo2。该信号对未图示的微型计算机输入,通过检测有无电压而检测同步电动机是否fe转。
[0053]当然,作为速度电动势可以使用Vuv或Vwu,也可以用电力转换装置的(_)电位侧作为基准而使用相电压Vu-、Vv-、Vw-,进而,即使对速度电动势Vuv和Vvw和Vwu进行三相全波整流,根据速度电动势检测同步电动机是否旋转,本实施例的意图也不改变。(a)和(b)只是一例。
[0054]警报输出信号Sigl中,例如如果在同步电动机正在旋转的情况下警报输出信号输出‘H’,在同步电动机已停止的情况下警报输出信号输出‘L’,则能够使用警报输出信号点亮警报灯而提醒用户注意。
[0055]图5是感应电动机和永磁体同步电动机的简易等效电路。在与永磁体同步电动机比较的意义上,对感应电动机的速度电动势(残留电压)进行说明。
[0056]图5(a)是感应电动机的等效电路,由一次电压V1、一次电阻Rl、一次漏电感L1、一次电流Il、二次电阻R2、二次漏电感L2、二次电流12、励磁电感M(磁通Φm)、励磁电流Im构成,通过调节一次电压的频率值和电压值而进行速度控制。
[0057]关于感应电动机的速度电动势(残留电压)的衰减特性,例如在从用商用电源驱动的状态起关断商用电源的情况下,电动机中发生与电源关断时旋转的速度成比例的正弦波状的速度电动势。在电力转换装置关断输出的情况下也与商用电源同样地在电动机中发生与电源关断时旋转的速度成比例的正弦波状的速度电动势。
[0058]该速度电动势Vl(残留电压)的衰减变动因连接的负载特性而不同。残留电压Vl用下式表达。
[0059]Vl (t) =Μ(_1/τ+j ω r)*I20*e(—t/T)*e(jGJrt)——数学式(I)
[0060]其中,120:二次电流的第二种初始值,
[0061 ] M: —次与二次间的互感,
[0062]τ:电动机的电路时间常数(L/R),
[0063]ωι.:电动机的旋转角频率(or = 2Ji*fr),
[0064]t:时间。
[0065]关于电源关断后的感应电动机残留电压的衰减变动,在用电力转换装置驱动的情况下也与商用电源驱动时相同。
[0066]图5(b)是表示对感应电动机的供给电源被关断后的残留电压的变动的图。时刻to是关断来自电力转换装置的供给电源的时刻,to后的感应电动机的残留电压Vl表现出符合数学式(I)的变动。
[0067]此处,根据数学式(I),在转子角速度0^没有急剧下降的条件下(例如换气扇:负载小、惯性矩GD2大),数学式(I)成为数学式(2)。此时的残留电压的周期较大地依赖于时间常数τ地大致等周期地逐渐衰减。
[0068]Vl(t)aVdo*e(—t/T)-----------数学式(2)
[0069]另一方面,在转子角速度急剧下降的条件下(例如栗:粘性大、惯性矩GDM、),数学式(I)成为数学式(3)。该情况下,残留电压的周期和振幅都急剧地衰减变化。
[0070]Vl(t)^Vd(or)*e(jtJrt)----------数学式(3)
[0071]S卩,感应电动机残留电压Vl具有较大地依赖于负载条件、按照电动机的旋转角频率ω r ( = 2对r)和感应电动机的电路时间常数τ衰减的特性,在比较短的时间中衰减至数V程度。因此,感应电动机的情况下,即使关断对电动机的供给电源、之后接触电动机端子,也没有触电的危险性。
[0072]图5(c)是永磁体同步电动机的等效电路,由电枢电压(一次电压)Va、电枢电阻Ra、电枢电感La、电枢电流I a、速度电动势E s、永磁体的磁通Φ m构成,通过调节电枢电压的频率值和电压值而进行速度控制。
[0073]关于永磁体同步电动机的速度电动势(残留电压),例如在从用商用电源驱动的状态起关断商用电源的情况下,同步电动机中发生与电源关断时旋转的速度成比例的正弦波状的速度电动势。在电力转换装置关断输出的情况下也与商用电源同样地在同步电动机中发生与电源关断时旋转的速度成比例的正弦波状的速度电动势。该速度电动势因为由安装的永磁体生成的磁通的作用而在同步电动机旋转时发生与其转速成比例的非衰减电压。
[0074]永磁体同步电动机的速度电动势Va用下式表达。
[0075]Va = Es = ke* Φι?* corocfr--------数学式(4)
[0076]其中,ke:常数,
[0077]φπι:磁通,
[0078]ωι.:同步电动机的转子角速度(or = 2JT*fr)。
[0079]关于电源关断后的永磁体同步电动机残留电压的变动,在用电力转换装置驱动的情况下也与商用电源驱动时相同。
[0080]图5(d)是表示对永磁体同步电动机的供给电源被关断后的速度电动势(残留电压)的变动的图。时刻to是关断来自电力转换装置的供给电源的时刻,to后的永磁体同步电动机的残留电压Va表现出符合数学式(4)的变动。即,残留电压Va具有符合同步电动机的旋转角频率ω r ( = 2对r)的特性,因为由安装的永磁体生成的磁通Φ m的作用,在同步电动机旋转时发生与其转速成比例的非衰减电压。
[0081]感应电动机的速度电动势(残留电压)Vl衰减变动,与此相对,永磁体同步电动机的速度电动势(残留电压)Va表现出与转速成比例的非衰减变动,这一点是较大的不同点。
[0082]因此,永磁体同步电动机的情况下,即使对同步电动机的供给电源被关断,之后也持续发生速度电动势(残留电压),所以存在接触同步电动机端子或电力转换装置的输出端子时触电的危险性。
[0083]图6是实施例的永磁体同步电动机的旋转状态检测工作模式图和时序图的一例。如图6(a)所示,逆变器3由与直流中间电路的(+ )电位侧连接的上臂侧的UP、VP、WP开关元件和与直流中间电路的(_)电位侧连接的下臂侧的UN、VN、WN开关元件构成。
[0084]在实施例的(a)的电路结构中,示出了仅有下臂的开关元件UN导通动作时开关元件和永磁体同步电动机中流动的电流I a u、I a V和I a w的通路。此时,同步电动机的U相中,流动有速度电动势Es除以同步电动机的阻抗的电流Iau。
[0085]实施例中,用数字操作面板7预先选择同步电动机的“惯性旋转检测模式”时,在电力转换装置驱动永磁体同步电动机时,电力转换装置因某种异常而停止(使构成逆变器3的所有元件UP、VP、WP、UN、VN、WN关断)之后,在构成逆变器3的元件中仅使下臂的开关元件UN导通(使VP、WP、UN、VN、WN关断),用电流检测器CT检测因永磁体同步电动机的速度电动势Es而发生的电流Iau和law。关于电流Iav,能够按Iav = _(Iau+Iaw)求出。
[0086]此处,电力转换装置中发生的某种异常,例如是对电力转换装置供给的电源的瞬间停电或电压不足,或者为了保护构成电力转换装置的逆变器的开关元件的过电流和过电压,或者从上级装置指示的紧急关断或自由旋转停止等,在驱动同步电动机时关断对同步电动机的电力供给。
[0087]如果残留有永磁体同步电动机的速度电动势Es,则仅使下臂的开关元件UN导通(使VP、WP、UN、VN、WN关断)时必然流过电流,如果没有残留速度电动势Es则不会流过电流。即,可知如果流过电流则同步电动机正在旋转,如果没有流过则已停止。
[0088]此处,使开关元件UN导通,指的是对开关元件UN的栅极G施加“H”电平的电压信号而使开关元件UN导通。
[0089 ]另外,仅使下臂侧的I个开关元件(例如UN)导通(使UP、VP、WP、VN、WN关断)动作,或者仅使下臂侧的2个开关元件(例如UN和VN)导通(使UP、VP、WP、WN关断)动作,或者仅使下臂侧的3个开关元件(例如UN和VN和WN)导通(使UP、VP、WP关断)动作,都可以得到相同的效果。
[0090]图6(b)是时序图的一例。电力转换装置因某种异常而停止(使构成逆变器3的所有元件UP、VP、WP、UN、VN、WN关断)之后,在t s的期间中仅使下臂的开关元件UN导通,用电流检测器CT检测流动的电流,在超过预先确定的电流值的情况下,控制电路5对数字操作面板7发出信号,在显示器上显示同步电动机正在旋转。然后,每隔预先设定的时间Td反复地仅使下臂的开关元件UN导通(使VP、WP、UN、VN、WN关断),用电流检测器CT进行电流检测,在超过预先确定的电流值的情况下控制电路5对数字操作面板7发出信号并在显示器上显示同步电动机正在旋转,在预先确定的电流值以下的情况下显示同步电动机已停止。
[0091 ]本实施例中,例如每隔Td = 5秒检测电流,为了检测电流判断同步电动机正在旋转还是已停止。即,每隔比较长的时间Td检测电流就是充分的。
[0092]此处,预先确定的电流值可以是O安培或其以上的值,并不限定电流值。另外,预先设定的时间Td也可以由操作者用数字操作面板7任意地设定。
[0093]另外,电力转换装置的输出被关断的情况下,通过按照来自上级装置12的信号,进行图4的实施例中记载的检测永磁体同步电动机的速度电动势,或者图6至图10的实施例中记载了仅使下臂的开关元件UN导通并用电流检测器CT检测流动的电流,或者用分流电阻电流检测器检测构成逆变器的半导体元件的电流,而与检测出的电流值相应地判断同步电动机是否旋转,在显示器上显示正在旋转还是已停止。
[0094]实施例2
[0095]图7是实施例2的永磁体同步电动机的旋转状态检测工作模式图和时序图。对于与实施例1中的图6共通的结构和相同的功能,附加相同的参考编号。
[0096]如图7(a)所示,逆变器3由与直流中间电路的(+ )电位侧连接的上臂侧的UP、VP、WP开关元件和与直流中间电路的(-)电位侧连接的下臂侧的UN、VN、WN开关元件和检测各下臂侧的UN、VN、WN开关元件的电流的分流电阻电流检测器SHix、SHiy、SHiz和检测与UN、VN、WN开关元件并联连接的二极管元件的电流的分流电阻电流检测器SHdx、SHdy、SHdz构成。
[0097]在实施例的(a)的电路结构中,示出了仅使下臂的开关元件UN导通(使VP、WP、UN、VN、WN关断)动作时开关元件和永磁体同步电动机中流动的电流Iau和Iav和Iaw的通路。此时在同步电动机的U相中,流动有速度电动势Es除以同步电动机的阻抗的电流Iau。
[0098]实施例中,用数字操作面板7预先选择同步电动机的“惯性旋转检测模式”时,在电力转换装置驱动永磁体同步电动机时,电力转换装置因某种异常而停止(使构成逆变器3的所有元件UP、VP、WP、UN、VN、WN关断)之后,在构成逆变器3的元件中仅使下臂的开关元件UN导通(使VP、WP、UN、VN、WN关断),用分流电阻电流检测器SHix、SHiy和SHdz检测因永磁体同步电动机的速度电动势Es而发生的电流Iau、Iav和law。
[0099]如果残留有永磁体同步电动机的速度电动势Es,则仅使下臂的开关元件UN导通(使VP、WP、UN、VN、WN关断)时必然流过电流,如果没有残留速度电动势Es则不会流过电流。即,可知如果检测出分流电阻电流检测器SHix中的电压VSHix或SHdy中的电压VSHdy或分流电阻电流检测器SHiz中的电压VSHiz则同步电动机正在旋转,如果没有检测出则已停止。
[0100]另外,仅使下臂侧的一个开关元件(例如UN)导通(使UP、VP、WP、VN、WN关断)动作,或者仅使下臂侧的2个开关元件(例如UN和VN)导通(使UP、VP、WP、WN关断)动作,或者仅使下臂侧的3个开关元件(例如UN和VN和WN)导通(使UP、VP、WP关断)动作,都可以得到相同的效果O
[0101]图7(b)是时序图的一例。电力转换装置因某种异常而停止(使构成逆变器3的所有元件UP、VP、WP、UN、VN、WN关断)之后,在t s的期间中仅使下臂的开关元件UN导通,用分流电阻电流检测器检测与流动的电流相当的电压,在超过与预先确定的电流值相当的电压的情况下在显示器上显示同步电动机正在旋转。然后,每隔预先设定的时间Td反复地仅使下臂的开关元件UN导通,用分流电阻电流检测器检测与流动的电流相当的电压,在超过与预先确定的电流值相当的电压的情况下在显示器上显示同步电动机正在旋转,在为与预先确定的电流值相当的电压以下的情况下显示同步电动机已停止。
[0102]此处,预先设定的时间Td不是固定的,而是根据与分流电阻电流检测器中流动的电流相当的电压检测值能够将反复时间调节为Tdl、Td2、……、Tdn的情况的例子。
[0103]每隔预先设定的不固定的时间Td使特定的开关元件导通、关断,例如是每隔Td= 5秒执行,在检测出的电流小于上次检测值的情况下,认为速度电动势减小、即转速减小,将下次的时间设为每隔Td = 3秒,检测电流值判断同步电动机正在旋转还是已停止。当然,预先设定的时间Td也可以由操作者用数字操作面板7任意地设定。
[0104]实施例3
[0105]图8是实施例3的永磁体同步电动机的旋转状态检测动作模式图。对于与实施例1中的图6和图7共通的结构和相同的功能,附加相同的参考编号。
[0106]如图8(a)所示,逆变器3由与直流中间电路的(+ )电位侧连接的上臂侧的UP、VP、WP开关元件和与直流中间电路的(_)电位侧连接的下臂侧的UN、VN、WN开关元件构成。
[0107]在实施例的(a)的电路结构中,示出了仅使下臂的开关元件UN和VN导通(使UP、VP、WP、WN关断)动作时开关元件和永磁体同步电动机中流动的电流Iau和Iav和Iaw的通路。
[0108]关于电流Iav,能够按Iav = _(Iau+Iaw)求出。
[0109]由图可知,即使使V相和W相的开关元件VN和WN导通,电流也不在V相和W相开关元件中流动,而是在与V相和W相的开关元件VN和WN并联连接的二极管中流动,所以可以得到与图6相同的效果。
[0110]用电流检测器CT检测因永磁体同步电动机的速度电动势Es而发生的电流Iau和law,可知如果流动电流则同步电动机正在旋转,如果没有流动则已停止。
[0111]另外,图8(b)是使下臂侧的所有元件UN、VN、WN导通的一例,但由图可知即使使V相和W相的开关元件VN和WN导通,电流也不在V相和W相的开关元件中流动,而是在与V相和W相的开关元件VN和WN并联连接的二极管中流动,所以可以得到与图6相同的效果。
[0112]S卩,仅使下臂侧的一个开关元件(例如UN)导通(使UP、VP、WP、VN、WN关断)动作,或者仅使下臂侧的2个开关元件(例如UN和VN)导通(使UP、VP、WP、WN关断)动作,或者仅使下臂侧的3个开关元件(例如UN和VN和WN)导通(使UP、VP、WP关断)动作,都可以得到相同的效果。
[0113]图9是实施例的永磁体同步电动机的旋转状态检测动作模式图的另一例。如图9(a)所示,逆变器3由与直流中间电路的(+ )电位侧连接的上臂侧的UP、VP、WP开关元件、与直流中间电路的(_)电位侧连接的下臂侧的UN、VN、WN开关元件、检测各下臂侧的UN、VN、WN开关元件的电流的分流电阻电流检测器SHi X、SHi y、SHi z和检测与UN、VN、WN开关元件并联连接的二极管元件的电流的分流电阻电流检测器SHdx、SHdy、SHdz构成。
[0114]在实施例的图9(b)的电路结构中,示出了仅使上臂的开关元件VP和WP导通(使UP、UN、VN、WN关断)动作时的开关元件和永磁体同步电动机中流动的电流I au和I aw的通路。
[0115]由图可知,即使使U相的开关元件UP导通,电流也不在U相的开关元件中流动,而是在与U相的开关元件UP并联连接的二极管中流动,可以得到与图7相同的效果。
[0116]可知如果检测出分流电阻电流检测器SHdu中的电压VSHdu或SHiv中的VSHiv或SHi w中的电压VSHi w则同步电动机正在旋转,如果没有检测出则已停止。
[0117]另外,图9(b)是使上臂侧的所有元件UP、VP、WP导通的一例,但由图可知,即使使U相的开关元件UP导通,电流也不在U相的开关元件中流动,而是在与U相的开关元件UP并联连接的二极管中流动,所以可以得到与图7相同的效果。
[0118]S卩,仅使上臂侧的一个开关元件(例如UP)导通(使VP、WP、UN、VN、WN关断)动作,或者仅使上臂侧的2个开关元件(例如UP和VP)导通(使WP、UN、VN、WN关断)动作,或者仅使上臂侧的3个开关元件(例如UP和VP和WP)导通(使UN、VN、WN关断)动作,都可以得到相同的效果。
[0119]图10是实施例的永磁体同步电动机的旋转状态检测动作模式图的另一例。在图10(a)的结构图中,对于与图7(a)共通的结构和相同的功能,附加相同的参考编号。与图7(a)的不同点,在于用SiC-MOSFET构成开关元件。
[0120]SiC-MOSFET在施加了栅极电压的正向偏压状态下,能够从漏极向源极(正方向)、或者从源极向漏极(负方向)流动电流。即,这是利用能够在正方向和负方向上流动电流的S i C-MOSFET的特性,而删除了与S i C-MOSFET并联连接的二极管的例子。
[0121]因此,仅用检测开关元件的电流的分流电阻电流检测器SHiX、SHiy、SHiz(不需要SHdx、SHdy ,SHdz)就能够检测开关元件S i C-MOSFET中流动的正和负的电流。死区时间的期间中,在未图示的体二极管(寄生二极管)中流动电流,但能够用分流电阻电流检测器检测。因此,在图10(a)的结构中也能够进行与图7(a)相同的控制,可以得到与图7(b)相同的效果O
[0122]另外,在图10(b)的结构图中,对于与图9(a)共通的结构和相同的功能,附加相同的参考编号。与图9(a)的不同点,在于用SiC-MOSFET构成开关元件。这是利用能够在正方向和负方向上流动电流的S i C-MOSFET的特性,删除了与S i C-MOSFET并联连接的二极管的例子。
[0123]因此,仅用检测开关元件的电流的分流电阻电流检测器SHiU、SHiv、SHiw(不需要SHdu、SHdv、SHdw)就能够检测开关元件SiC-MOSFET中流动的正和负的电流。当然,在死区时间的期间中,在未图示的体二极管(寄生二极管)中流动电流,但能够用分流电阻电流检测器检测。因此,图10(b)的结构中也能够进行与图9(a)相同的控制,可以得到与图9(b)相同的效果。
[0124]实施例4
[0125]图11是实施例4的永磁体同步电动机的旋转状态检测时序图的另一例。与图6的实施例同样,是在ts的期间中仅使下臂的开关元件UN导通,用电流检测器CT检测流动的电流,在超过预先确定的电流值的情况下在显示器上显示同步电动机正在旋转的例子。电力转换装置因某种异常而停止(使构成逆变器3的所有元件即、¥?、¥?、1^、¥1¥1^关断)之后,仅使下臂的开关元件UN导通,但同步电动机的转速高的情况下流动大电流,用电流检测器检测的电流达到过电流电平1c(为了保护构成逆变器的开关元件而预先设置的电流电平),电力转换装置发生过电流跳闸。因此,通常,在ts期间中仅使开关元件UN导通但在tsl之后达到过电流电平1c,所以在此时关断电力转换装置(关闭UN脉冲)。之后,使该跳闸异常自动复位,关于该复位的时刻,在显示同步电动机是否旋转之前实施即可。当然,如果没有对跳闸异常进行锁定则不需要复位。
[0126]实施例4中,是因为同步电动机的转速高而发生了3次过电流跳闸的例子。在时刻t0,仅使下臂的开关元件UN导通,但因为同步电动机的转速高所以流动大电流,检测电流达到过电流电平1c,在ts = tsl (时刻11)关断电力转换装置(关闭UN脉冲),发生过电流跳闸。使被锁定的该过电流1c跳闸自动复位。
[0127]然后,显示“电动机正在旋转”直到下一时刻t2(从时刻tl起经过Td = Tdl),在时刻t2再次仅使下臂的开关元件UN导通,但同步电动机的转速仍然高所以流动大电流,检测电流再次达到过电流电平1c,在ts = tsl (时刻t3)关断电力转换装置(关闭UN脉冲),发生过电流跳闸。使被锁定的该过电流1c跳闸自动复位。
[0128]显示“电动机正在旋转”直到下一时刻t4(从时刻t3起经过Td = Td2),在时刻t4再次仅使下臂的开关元件UN导通,但同步电动机的转速仍然高所以流动大电流,检测电流再次达到过电流电平1c,在ts = tsl(时刻t5)关断电力转换装置(关闭UN脉冲),发生过电流跳闸。使被锁定的该过电流1c跳闸自动复位。
[0129]当然,如果用数字操作面板7预先选择同步电动机的“惯性旋转检测模式”,则在发生过电流跳闸的情况下能够自动地使过电流跳闸复位,再次仅使下臂的开关元件UN导通,只要过电流跳闸持续,自动复位就工作。当然,在选择了同步电动机的“惯性旋转检测模式”的情况下,如果采用即使达到该过电流电平也不锁定的结构则不需要执行自动复位。达到过电流电平1c的情况下,先关断电力转换装置(关闭UN脉冲),再次仅使下臂的开关元件UN导通,只要达到该过电流电平1c就反复仅使下臂的开关元件UN导通。
[0130]进而,显示“电动机正在旋转”直到下一时刻t6(从时刻t5起经过Td = Td3),在时刻t6再次仅使下臂的开关元件UN导通,而同步电动机的转速降低,检测电流在预先确定的1c与Iad3的范围内,所以在ts后(时刻t7)关断电力转换装置(关闭UN脉冲)。
[0131]实施例4中,用过电流电平1c(为了保护构成逆变器的开关元件而预先设置的电流电平:锁定)作为判断基准,但不限定于该电平值,即使是比过电流电平1c低的“惯性旋转检测模式”专用的预先确定的第一电流设定电平IadO,实施例的意图也不变。在该情况下,也在达到该第一电流设定电平IadO的情况下,先关断电力转换装置(关闭UN脉冲),再次仅使下臂的开关元件UN导通,只要达到该电流值IadO就反复仅使下臂的开关元件UN导通。
[0132]此处,在时间Tdl至Td3之间,预先设定了Tdl〈Td2〈Td3的关系。即,检测电流达到过电流电平1c表示同步电动机的惯性转速高,为了避免该过电流电平,优选下次仅使下臂的开关元件UN导通的时间比上次更长。如果延长,则同步电动机惯性旋转的时间也延长,所以转速降低。因此,与Tdl相比将下次的Td2设定为更长,进而与Td2相比将下次的Td3设定为更长。
[ΟΙ33]此处,在时刻t6再次仅使下臂的开关元件UN导通,在时刻t7检测电流在预先确定的1c与Iad3的范围内,判断同步电动机的转速已降低,使下次的从时刻t7到时刻t8(从时刻t7起经过Td = Td4)的时间比上次的Td3更短,但也可以比Td2更短。
[0134]然后,显示“电动机正在旋转”直到下一时刻t8(从时刻t7起经过Td = Td4),在时刻t8再次仅使下臂的开关元件UN导通,同步电动机的转速进一步降低,检测电流在预先确定的Iad2与Iad3的范围内,所以在ts后(时刻t9)关断电力转换装置(关闭UN脉冲)。
[0135]显示“电动机正在旋转”直到下一时刻tlO(从时刻t9起经过Td = Td5),在时刻tlO再次仅使下臂的开关元件UN导通,同步电动机的转速进一步降低,检测电流在预先确定的Iadl与Iad2的范围内,所以在ts后(时刻til)关断电力转换装置(关闭UN脉冲)。
[0136]反复以上动作,在时刻tl2(经过Td= Td7),再次仅使下臂的开关元件UN导通,时刻tl3时的检测电流在预先确定的Iadl以下,几乎为0,所以在时刻tl3之后显示“电动机已停止”。
[0137]然后,也可以反复仅使下臂的开关元件UN导通,持续检测同步电动机是否旋转,直到对电力转换装置输入旋转信号。当然,因为能够判断同步电动机已停止,所以在时刻tl3之后,也可以停止仅使下臂的开关元件UN导通的控制。
[0138]此处,在时间Td4至Tdn之间,预先设定了 Td4>Td5>Td6>Td7的关系。即,预先确定的电流值设置了 Iadl、Iad2和Iad3这3个电平,如下所述地决定了这些电平与预先确定的反复时间Td的关系。
[0139].Iad3^iIau〈1c的情况下,Td = Td4,
[0140].Iad2^ilau〈lad3的情况下,Td = Td5,
[0141].IadKlau〈Iad2的情况下,Td = Td6,
[0142].Iau〈Iadl的情况下,Td = Td7。
[0143]由数学式(4)可知,同步电动机中流动的电流值(检测电流值)减小,表示速度电动势减小,即转速降低。
[0144]因此,如果检测电流值减小,则表示同步电动机的转速降低,所以直到同步电动机停止的时间缩短,所以如果使下次的反复时间Td也比上次缩短地检测并测定电流,则能够缩短同步电动机的停止状态的得知时间。
[0145]如果这样预先确定关系,则因为与电流检测器检测出的电流值相应地自动调节反复时间Td,所以具有操作者不需要设定反复时间Td的优点。
[0146]实施例4中,预先确定的电流值设置了Iadl、Iad2和Iad3这3个电平,决定了这些电平与预先确定的反复时间Td的关系,但并不对预先确定的电流值设定电平的个数施加限制,不限于3个电平,可以设置η个电流值设定电平(Iadl、……、Iadn),与该电流值设定电平相应地自动调节反复时间T d。
[0147]实施例5
[0148]图12是实施例4的数字操作面板的显示例。在电力转换装置10的表面搭载的数字操作面板7的显示部A上显示永磁体同步电动机是否旋转状态。(a)是在检测出永磁体同步电动机正在旋转的情况下在显示部A上显示了“电动机正在旋转”的例子。(b)是检测出永磁体同步电动机已停止的情况下在显示部A上显示了 “电动机已停止”的例子。
[0149]另外,显示内容不限定于“电动机正在旋转”或“电动机已停止”,也可以显示实际的“转速”(例如“1000(r/m)”、“0(r/m)”或者“1000”、“O”)。或者,也可以是“有电压发生”、“无电压发生”或者“电压危险”。即,只要使操作者了解“电动机正在旋转”或者“电动机已停止”,就不限定显示内容。当然,也能够在上级装置12中显示该显示内容。
[0150]如以上实施例中所示,例如,在电力转换装置中发生异常而停止其输出之后,检测有无与永磁体同步电动机的转速相应的速度电动势或者同步电动机中流动的电流,在显示器上显示同步电动机正在旋转还是已停止,所以能够以用户能够目视识别的方式提醒注意,能够排除不小心接触电力转换装置的输出端子的危险性。
[0151]另外,例如在换气扇等用途的情况下,用电力转换装置使同步电动机正常停止,风扇虽然暂时停止,但可能因外部空气而使风扇再次旋转,同步电动机惯性旋转。在这样的用途中,也能够通过在显示器上显示同步电动机是否旋转、或者使用警报输出信号Sigl点亮警报灯而提醒用户注意。
[0152]附图标记的说明
[0153]I……整流器,2……平滑用电容器,3……逆变器,4……控制运算装置,5……控制电路,6……冷却风扇,7……数字操作面板,8……驱动电路,9……电压检测电路,10……电力转换装置,11……负载装置,12……上级装置,13……开关稳压电路,14……电压检测电路,CT……电流检测器,SHl、SH1、SHd……分流电阻电流检测器,PM电动机……永磁体同步电动机,NFB……无熔丝断路器,MC……电磁接触器,1c……过电流电平,Iadl、Iad2、Iad3......预先确定的电流值设定电平。
【主权项】
1.一种永磁体同步电动机驱动用的电力转换装置,其对永磁体同步电动机进行变速控制,其特征在于,包括: 整流器,其将交流电源的交流电压整流而转换为直流电压; 直流中间电路,其具有使由所述整流器转换后的直流电压平滑的平滑电容器; 逆变器,其包括与所述直流中间电路的(+)电位侧连接的上臂侧的半导体元件和与所述直流中间电路的(-)电位侧连接的下臂侧的半导体元件,将由所述直流中间电路平滑后的直流电压转换为交流电压;和 检测所述逆变器中流动的电流的电流检测器, 所述电力转换装置还包括控制电路,所述控制电路进行控制,使得在停止了从所述电力转换装置向所述永磁体同步电动机的电力输出之后,所述上臂侧的半导体元件和所述下臂侧的半导体元件中的一个臂侧的一个以上的半导体元件导通,并且另一个臂侧的全部半导体元件关断,在所述电流检测器检测出规定的电流的情况下,输出表示所述永磁体同步电动机正在旋转的信号。2.如权利要求1所述的电力转换装置,其特征在于: 所述一个臂侧的半导体元件以预先设定的时间Td为周期导通。3.如权利要求1所述的电力转换装置,其特征在于: 所述电流检测器检测从该电力转换装置输出的电流或者该电力转换装置的所述上臂侧或所述下臂侧的半导体元件的电流。4.如权利要求2所述的电力转换装置,其特征在于: 所述预先设定的时间Td能够与所述电流检测器检测出的电流相应地变化。5.如权利要求1所述的电力转换装置,其特征在于: 所述控制电路在所述电流检测器检测出的电流超过预先确定的值的情况下,进行对显示器发出表示所述永磁体同步电动机正在旋转的信号并将该信号显示的控制,在所述电流检测器检测出的电流在预先确定的值以下的情况下,进行对显示器发出表示所述永磁体同步电动机已停止的信号并将该信号显示的控制。6.如权利要求1所述的电力转换装置,其特征在于: 所述控制电路在所述电流检测器检测出的电流达到过电流电平且所述电力转换装置跳闸了的情况下,自动解除该跳闸状态。7.如权利要求4所述的电力转换装置,其特征在于: 所述控制电路在所述电流检测器检测出的电流达到过电流电平且所述电力转换装置跳闸了的情况下,进行使下次的所述时间Td比上次的所述时间Td长的控制。8.如权利要求1所述的电力转换装置,其特征在于: 所述控制电路在所述电流检测器检测出的电流小于预先确定的值的情况下,停止使所述上臂侧的半导体元件和所述下臂侧的半导体元件中的一个臂侧的一个以上的半导体元件导通并且使另一个臂侧的全部半导体元件关断的控制。9.一种对永磁体同步电动机进行变速控制的电力转换装置,其特征在于,包括: 整流器,其将交流电源的交流电压整流而转换为直流电压; 直流中间电路,其具有使由所述整流器转换后的直流电压平滑的平滑电容器; 逆变器,其由半导体元件构成,将由所述直流中间电路平滑后的直流电压转换为交流电压;和 检测电力转换装置的输出端子间的电压的电压检测电路, 所述电力转换装置还包括控制电路,所述控制电路在停止所述电力转换装置的电力输出之后,在所述电压检测电路检测出规定的电压的情况下,输出表示所述永磁体同步电动机正在旋转的信号。10.如权利要求9所述的电力转换装置,其特征在于: 所述控制电路在所述电压检测电路检测出的电压超过预先确定的值的情况下,进行对显示器发出表示所述永磁体同步电动机正在旋转的信号并将该信号显示的控制,在所述电压检测电路检测出的电压在预先确定的值以下的情况下,进行对显示器发出表示所述永磁体同步电动机已停止的信号并将该信号显示的控制。11.如权利要求9所述的电力转换装置,其特征在于: 将所述电压检测电路检测出的电压转换为脉冲电压,对该脉冲进行计数,在计数得到的值超过预先确定的值的情况下,输出表示所述永磁体同步电动机正在旋转的信号。12.如权利要求11所述的电力转换装置,其特征在于: 对所述脉冲进行计数,在计数得到的值为预先确定的值以下的情况下,输出表示所述永磁体同步电动机已停止的信号。13.如权利要求1或9所述的电力转换装置,其特征在于: 包括设定所述电力转换装置的旋转条件的操作面板, 在判断出所述永磁体同步电动机正在旋转或者已停止的情况下,所述控制电路进行控制,使得在所述操作面板显示所述永磁体同步电动机正在旋转或者已停止。14.如权利要求1或9所述的电力转换装置,其特征在于: 包括设定所述电力转换装置的旋转条件的上级装置, 在判断出所述永磁体同步电动机正在旋转或者已停止的情况下,所述控制电路进行控制,使得在所述上级装置显示所述永磁体同步电动机正在旋转或者已停止。
【文档编号】H02P6/182GK105917566SQ201480073173
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2014年1月20日
【发明人】井堀敏, 堀田和茂, 荒尾祐介, 马场繁之, 田中良, 中村敦彦
【申请人】株式会社日立产机系统
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