專利名稱：：電動機(jī)驅(qū)動裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及利用例如矩陣變換器等交流交流直接變換裝置，將多相交流電壓變換成任意大小和頻率的多相交流電壓，從而驅(qū)動電動機(jī)的電動機(jī)驅(qū)動裝置，特別涉及通過限制電動機(jī)電流的振幅，從而能夠在防止電動機(jī)或電力變換裝置的過熱、損傷的同時使其連續(xù)運行的電動機(jī)驅(qū)動裝置。
背景技術(shù)：
：在利用以變換器(inverter)和矩陣變換器(matrixconverter)為代表的電力變換裝置使電動機(jī)運行的情況下，為了防止電動機(jī)或電力變換裝置的過熱、損傷，設(shè)置有保護(hù)裝置，該保護(hù)裝置監(jiān)視電動機(jī)電流的振幅，并且在電動機(jī)電流超過極限水平(limitlevel)時，使構(gòu)成電力變換裝置的所有半導(dǎo)體開關(guān)元件斷開以停止運行。但是，一旦電力變換裝置突然停止運行，則會造成向電動機(jī)施加的電壓急劇變化，因此，有可能損傷電動機(jī)或與其連接的驅(qū)動設(shè)備。此外，這不適合于希望電力變換裝置連續(xù)運行的用途。因此，在后述的專利文獻(xiàn)1中公開了如下的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)置比上述極限水平低的限制水平，在電動機(jī)電流超過該限制水平的情況下，一邊抑制電動機(jī)電流進(jìn)一步增加，一邊繼續(xù)運行。圖5是表示專利文獻(xiàn)1中公開的現(xiàn)有技術(shù)的主要部分的框圖。在圖5中，102是電源，103是電力變換裝置，104是電動機(jī)。輸出電壓指令計算單元IOO計算電力變換裝置103的輸出電壓指令值，PWM發(fā)生單元101根據(jù)上述輸出電壓指令值，計算用于使電力變換裝置103的半導(dǎo)體開關(guān)元件接通/斷開的PWM模式(PWMpattern)。另一方面，向電流限制單元108輸入由電源電壓檢測單元105檢測出的電源電壓和由電動機(jī)電流檢測單元106檢測出的電動機(jī)電流，由其計算并輸出用于產(chǎn)生與由電動機(jī)電流檢測值計算出的電流矢量相反方向的輸出電壓矢量的PWM模式。此外，107是設(shè)定有比電動機(jī)電流的極限水平低的限制水平的比較單元，將電動機(jī)電流檢測值與上述限制水平進(jìn)行比較。假設(shè)在電動機(jī)電流大于限制水平的情況下，則利用比較單元107的輸出，將切換單元109切換到電流限制單元108偵lj，由此，用于產(chǎn)生與電流矢量相反方向的輸出電壓矢量的PWM模式，通過切換單元109被提供給電力變換裝置103。由此，電動機(jī)電流減少，能夠?qū)⑵湔穹种圃谏鲜鰳O限水平以下，因此，能夠一邊使電力變換裝置103連續(xù)運轉(zhuǎn)，一邊防止過電流流過電動機(jī)104。另一方面，相對于上述專利文獻(xiàn)1的現(xiàn)有技術(shù)，在先申請的特愿2005—238593號中公開了為了降低計算負(fù)荷從而降低輸出電流波動，利用電力變換裝置輸出零電壓的發(fā)明(該在先申請在本申請?zhí)岢鰰r還沒有公開)。圖6是表示該在先申請的發(fā)明的主要部分的框圖，與圖5中具有相同功能的部分采用相同的符號。與圖5的不同點是設(shè)置了零電壓發(fā)生單元110代替電流限制單元108，零電壓發(fā)生單元110根據(jù)電源電壓，選擇輸出相電壓全部相等的PWM模式并輸出。在上述結(jié)構(gòu)中，當(dāng)電動機(jī)電流大于限制水平時，通過切換單元109，將來自零電壓發(fā)生單元110的PWM模式提供給電力變換裝置103。電力變換裝置103例如對所有的輸出相輸出電源102的最大相電壓。如果所有的輸出相的電壓相等，則線間電壓為零，因此，電動機(jī)電流減少，其振幅不會達(dá)到極限水平以上。專利文獻(xiàn)l:特開2004—180390號公報(、圖1等)在圖5所示的專利文獻(xiàn)1的現(xiàn)有技術(shù)中，因為輸出與電動機(jī)電流矢量相反方向的電壓矢量，所以降低電流的效果高，但由于使電力變換裝置103的輸出電壓急劇變化，所以輸出電流中出現(xiàn)的波動(ripple)變大。在使用矩陣變換器等交流交流直接變換裝置作為電力變換裝置103的情況下，電源102和電動機(jī)104由雙向的半導(dǎo)體開關(guān)直接連接，因此，如果輸出電流中存在波動，則輸入電流也會變形(distort)。輸出電流的波動會引起電動機(jī)104的轉(zhuǎn)矩脈動或噪聲，因此不優(yōu)選，此外，輸入電流的波動會引起與電源102連接的其它設(shè)備的誤動作等，因此同樣不優(yōu)選。另一方面，根據(jù)圖6所示的在先申請的發(fā)明，在像制動時那樣使能量從電動機(jī)104向電力變換裝置103側(cè)再生的動作條件下，電動機(jī)電流有可能不減少反而增加。下面，對在再生動作中電力變換裝置103輸出零電壓時電動機(jī)電流增加的原因進(jìn)行說明。圖7是表示在圖6中的電力變換裝置103是矩陣變換器、電動機(jī)104是同步電動機(jī)的情況下，矩陣變換器的一個輸出相的電路圖。設(shè)矩陣變換器的輸出電壓為v。、電動機(jī)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為em、電動機(jī)的初級線圈電阻為R,、初級同步電感為L。、初級角頻率為co，則驅(qū)動時的電動機(jī)電流由公式1表示。[公式1]i°=di.~~^~(v?！狾另一方面，再生制動動作中的電動機(jī)電流由公式2表示。[公式2]1io—nit(emV。)R丄十Ja)LCT將公式1和公式2進(jìn)行比較，可以看出，輸出電壓v。和感應(yīng)電壓em的符號相反。在圖6的結(jié)構(gòu)中，使矩陣變換器(電力變換裝置103)的輸出電壓迅速為零，在公式1表示的驅(qū)動時是使v。=0，由此，i。減少。但是，在公式2表示的再生制動時，若使v。=0，則右邊的(em—v。)比使vfO之前變大，因此，電動機(jī)電流i。反而增加。用圖7的電路圖對此進(jìn)行說明，通過使v。-0，在矩陣變換器內(nèi)使感應(yīng)電壓em短路，因此電流i。增加。此外，作為具有能量緩沖器(energybuffer)的電壓型變換器的電流限制方式，已知有在特開平3—74175號(專利第2745691號)公報中記載的方式，該文獻(xiàn)公開了當(dāng)電流矢量的大小超過限制值時，選擇位置與上述電流矢量的相反方向的矢量最近的電壓矢量，并使電壓型變換器輸出該電壓矢量。但是，在矩陣變換器等直接變換裝置中，PWM脈沖的產(chǎn)生方法與變換器不同，因此，難以將該現(xiàn)有技術(shù)直接應(yīng)用于直接變換裝置。
發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明要解決的課題是提供一種電動機(jī)驅(qū)動裝置，該電動機(jī)驅(qū)動裝置在利用矩陣變換器等交流交流直接變換裝置驅(qū)動電動機(jī)時，不會產(chǎn)生因電動機(jī)電流的急劇變化而造成的波動，在驅(qū)動和制動(再生制動)的任一情況下，都能夠使電動機(jī)電流減少，并且能夠使直接變換裝置安全地連續(xù)運行。為了解決上述課題，本發(fā)明的第一方面提供一種電動機(jī)驅(qū)動裝置，利用將多相交流電壓直接變換成任意大小和頻率的多相交流電壓的交流交流直接變換裝置驅(qū)動電動機(jī)，在電動機(jī)電流為限制水平(restrictionlevel)以下時，向上述變換裝置提供第一輸出電壓指令值，使上述變換裝置運行，其特征在于，上述電動機(jī)驅(qū)動裝置包括檢測電動機(jī)電流的電流檢測單元；檢測電動機(jī)電流檢測值是否超過限制水平的比較單元；計算上述電動機(jī)的感應(yīng)電壓的感應(yīng)電壓計算單元；和當(dāng)上述比較單元檢測出電動機(jī)電流檢測值超過限制水平時，代替上述第一輸出電壓指令值，將上述感應(yīng)電壓計算單元計算出的感應(yīng)電壓作為第二輸出電壓指令值提供給上述變換裝置的單元。第二方面的發(fā)明的特征在于，在第一方面中，上述感應(yīng)電壓計算單元使用上述第一輸出電壓指令值、電動機(jī)電流檢測值和電動機(jī)電常數(shù)，計算感應(yīng)電壓。第三方面的發(fā)明的特征在于，在第一方面中，上述感應(yīng)電壓計算單元使用上述變換裝置的輸出電壓檢測值、電動機(jī)電流檢測值和電動機(jī)電常數(shù)，計算感應(yīng)電壓。在本發(fā)明中，為了限制電動機(jī)電流的振幅，計算出電動機(jī)的感應(yīng)電壓，并將該感應(yīng)電壓作為第二輸出電壓指令值代替通常時的第一輸出電壓指令值而提供給電力變換裝置，由此使電力變換裝置的輸出電壓與上述感應(yīng)電壓相等。由此，與驅(qū)動時、制動時等電動機(jī)的運行狀態(tài)無關(guān)，能夠?qū)㈦妱訖C(jī)電流抑制在限制水平以下，從而能夠不產(chǎn)生電力變換裝置的輸出電壓的急劇變化，使其安全地連續(xù)運行。圖1是表示本發(fā)明的第一實施方式的框圖。圖2是表示圖1中的感應(yīng)電壓計算單元的結(jié)構(gòu)的框圖。圖3是表示本發(fā)明的第二實施方式的框圖。圖4是表示圖3中的感應(yīng)電壓計算單元的結(jié)構(gòu)的框圖。圖5是表示現(xiàn)有技術(shù)的主要部分的框圖。圖6是表示在先申請的發(fā)明的主要部分的框圖。圖7是在在先申請的發(fā)明中，用矩陣變換器驅(qū)動同步電動機(jī)的情況下，一個輸出相的電路圖。符號說明1矩陣變換器2、2A感應(yīng)電壓計算單元3輸出電壓檢測單元21、21A、24坐標(biāo)變換單元22驅(qū)動/制動判斷單元23計算塊(感應(yīng)電壓計算式)25矩陣變換器電壓指令計算單元100輸出電壓指令計算單元101PWM發(fā)生單元102電源104電動機(jī)105電源電壓檢測單元106電動機(jī)電流檢測單元107比較單元109切換單元具體實施方式下面，參照附圖，對本發(fā)明的實施方式進(jìn)行說明。首先，圖1是表示第一方面和第二方面的本發(fā)明的第一實施方式的框圖，與圖5和圖6中具有相同功能的結(jié)構(gòu)要素采用相同的編號，省略其說明，下面，以與其不同的部分為中心進(jìn)行說明。在圖1中，1是作為交流交流直接變換裝置的矩陣變換器，由將電源102和電動機(jī)104直接連接的多個雙向開關(guān)構(gòu)成。例如，在電源102是三相交流電源、電動機(jī)104是三相同步電動機(jī)的情況下，在各三相的輸入輸出端子之間，合計連接有9個雙向開關(guān)，這些雙向開關(guān)例如通過將2個具有反向耐壓性能的IGBT等半導(dǎo)體開關(guān)元件反并聯(lián)連接而構(gòu)成。2是計算電動機(jī)104產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的感應(yīng)電壓計算單元，向其輸入來自電動機(jī)電流檢測單元106的電動機(jī)電流檢測值、來自電源電壓檢測單元105的電源電壓檢測值、和來自輸出電壓指令計算單元100的第一輸出電壓指令值(電動機(jī)電流為限制水平以下的通常時的輸出電壓指令值)。然后，由感應(yīng)電壓計算單元2計算出的感應(yīng)電壓，作為對矩陣變換器1的第二輸出電壓指令值(電動機(jī)電流超過限制水平，需要限制電流時的輸出電壓指令值)，被輸入至切換單元109的一個切換端子，來自上述輸出電壓指令計算單元100的第一輸出電壓指令值被輸入至另一個切換端子。切換單元109與圖5和圖6同樣地根據(jù)比較單元107的輸出對切換端子進(jìn)行切換。在由比較單元107檢測出電動機(jī)電流的振幅超過限制水平的情況下，將切換單元109與感應(yīng)電壓計算單元2側(cè)連接，由該單元2計算出的感應(yīng)電壓作為輸出電壓指令值，通過切換單元109被提供給PWM發(fā)生單元IOI。下面，對本實施方式的電動機(jī)電流的限制原理進(jìn)行說明。從上述的公式l、公式2可知，如果使v。^m，則與驅(qū)動、制動無關(guān)，由電動機(jī)的初級線圈產(chǎn)生的電壓降為零，因此，能夠使電動機(jī)電流減少。即，只要控制成使得矩陣變換器1的輸出電壓與電動機(jī)104的感應(yīng)電壓相等即可。在此，參照圖2，對感應(yīng)電壓計算單元2的結(jié)構(gòu)和作用進(jìn)行說明。此外，設(shè)電動機(jī)104為同步電動機(jī)。設(shè)從圖1的輸出電壓指令計算單元100提供給矩陣變換器1的三相的輸出電壓指令值為vu*、vv*、vw*，圖2的坐標(biāo)變換單元21利用公式3將上述輸出電壓指令值v/、vv*、v^變換成垂直的交流二軸成分Va*、Ve、[公式3]<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>坐標(biāo)變換單元21同樣地利用公式4將三相的電動機(jī)電流檢測值iu、iv、iw變換成垂直的交流二軸成分iu、iP。[公式4]<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>進(jìn)一步，坐標(biāo)變換單元21將上述vZ、ve*、ia、ie變換至以初級角頻率co旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)(d—q坐標(biāo))上，得到公式5和公式6。其中，e=fodt，e可以根據(jù)由速度傳感器得到的速度檢測值、速度指令值、或速度推測值求出。[公式5]<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>[公式6]<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>驅(qū)動/制動判斷單元22利用公式7從公式5、公式6計算瞬時有效功率P。[公式7]<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>驅(qū)動/制動判斷單元22在p》0的情況下判斷為驅(qū)動，在p<0的情況下判斷為制動(再生制動)，分別輸出驅(qū)動判斷信號和制動判斷信號。在同步電動機(jī)中，定子和轉(zhuǎn)子的位置相等，因此，感應(yīng)電壓的d軸成分ed為零。另一方面，感應(yīng)電壓的q軸成分eq根據(jù)電動機(jī)的電壓方程式像公式8那樣進(jìn)行計算。在此，公式8中的電動機(jī)參數(shù)(電動機(jī)電常數(shù))L。可以使用測定值，也可以使用推測值。[公式8]<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>將由相當(dāng)于公式8的計算塊23得到的感應(yīng)電壓的d軸成分ed(=0)和q軸成分eq作為指令值，坐標(biāo)變換單元24將上述指令值變換成三相交流電壓成分e/、ev*、ew*。與變換器不同，矩陣變換器通過直接對電源電壓進(jìn)行PWM控制而得到電壓，因此，為了輸出期望的感應(yīng)電壓，需要電源電壓的振幅信息。因此，矩陣變換器電壓指令計算單元25，像公式9那樣，用電源電壓的大小IVjI去除eu*、ev*、ew*，計算出修正后的輸出電壓指令值、*、？i/、k*，并且將它們作為第二輸出電壓指令值，輸出至切換單元109側(cè)。其中，IVjIVia和Vjp是電源電壓的交流二軸成分。[公式9]<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>此后計算矩陣變換器1的半導(dǎo)體開關(guān)元件的接通/斷開期間的方法有多種，但由于不是本發(fā)明的主要部分，所以省略其說明。當(dāng)電動機(jī)電流超過限制水平時，圖1中的切換單元109，根據(jù)比較單元107的輸出，選擇基于公式9的第二輸出電壓指令值，向PWM發(fā)生單元101輸出。當(dāng)電動機(jī)電流減少、低于限制水平時，再次選擇來自輸出電壓指令計算單元100的第一輸出電壓指令值(通常的輸出電壓指令值)、并提供給PWM發(fā)生單元lOl，由此進(jìn)行正常運行。這樣，在本實施方式中，當(dāng)電動機(jī)電流超過限制水平時，不是直接切換PWM模式，而是將輸出電壓指令值切換為與電動機(jī)的感應(yīng)電壓相等的值，由此進(jìn)行電流限制，因此，能夠防止因脈沖波形(pulsepattern)急劇變化而造成的輸出電流的波動增加，進(jìn)而能夠減少輸入電流的波動。此外，在上述第一實施方式中說明的感應(yīng)電壓的計算方法、即圖2的結(jié)構(gòu)只是一個例子，也可以不進(jìn)行坐標(biāo)變換而直接用交流成分計算，也可以使用感應(yīng)電壓觀測器(inductionvoltageobserver)根據(jù)電動機(jī)型號(motormodel)推測感應(yīng)電壓。此外，本實施方式作為對象的電動機(jī)104并不限定于同步電動機(jī)，如果根據(jù)電動機(jī)的電壓方程式改變公式8，則也能夠應(yīng)用于感應(yīng)電動機(jī)。接下來，圖3是表示第一方面和第三方面的本發(fā)明的第二實施方式的框圖。該實施方式與第一實施方式的不同在于，在感應(yīng)電壓的計算中使用矩陣變換器1的輸出電壓檢測值。艮P，在圖1中追加輸出電壓檢測單元3，將其的電壓檢測值輸入感應(yīng)電壓計算單元2A，用于計算感應(yīng)電壓。在第一實施方式中，如果感應(yīng)電壓存在計算誤差，則限制電流時的輸出電壓指令不等于真的感應(yīng)電壓，公式1或公式2中的v。二em不成立，電動機(jī)電流的限制效果降低。此外，感應(yīng)電壓的計算誤差包括電動機(jī)參數(shù)的誤差和計算延遲引起的誤差等各種誤差，半導(dǎo)體開關(guān)元件的換碼誤差(commutationerror)(在矩陣變換器中，為了同時防止電源短路和負(fù)荷端開路，在開關(guān)模式中設(shè)置中止期間(haltperiod)而產(chǎn)生的電壓誤差)和因半導(dǎo)體開關(guān)元件的接通電壓降而造成的輸出電壓誤差占很大的比例。著眼于這一點，在第二實施方式中，檢測由矩陣變換器1向電動機(jī)104實際施加的輸出電壓，使用此電壓檢測值計算感應(yīng)電壓，由此，減少計算誤差，公式l或公式2中的v。二^總是成立，從而提高限制電流效果。圖4是圖3中的感應(yīng)電壓計算單元2A的框圖。艮P，在圖4中，將由圖3的輸出電壓檢測單元3檢測出的電壓檢測值輸入坐標(biāo)變換單元21A，與第一實施方式同樣，利用坐標(biāo)變換，求出旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)上的二軸成分vd、vq。即，用電壓檢測值Vu、vv、代替公式3中的v/、vv*、vw*，求出二軸成分vu、v"用v。、ve代替公式5中的v。、v,，求出vd、vq。此后，用vq代替公式8的v/，用計算塊23計算出感應(yīng)電壓的q軸成分eq，以該和ed作為指令值ej和ed*(=0)，利用坐標(biāo)變換單元24再次將其變換成三相交流電壓成分e/、ev*、ew*。以后與圖2相同，所以省略說明。根據(jù)該實施方式，將使用矩陣變換器1的實際輸出電壓計算出的感應(yīng)電壓，作為限制電流時的輸出電壓指令值輸出，因此，感應(yīng)電壓的計算誤差減少，能夠使公式l或公式2中的v。二em總是成立。結(jié)果，能夠可靠地限制電動機(jī)電流，能夠使電力變換裝置連續(xù)運行。此外，在上述各實施方式中，將切換單元109設(shè)置在感應(yīng)電壓計算單元2或2A與PWM發(fā)生單元101之間，但也可以根據(jù)計算出的感應(yīng)電壓預(yù)先生成PWM模式、并將其存儲在存儲單元中，并且在PWM發(fā)生單元101和矩陣變換器1之間設(shè)置切換單元，用切換單元對來自PWM發(fā)生單元101的通常運行時的PWM模式和存儲在上述存儲單元中的限制電流時的PWM模式進(jìn)行切換，并將其提供給矩陣變換器1。權(quán)利要求1.一種電動機(jī)驅(qū)動裝置，利用將多相交流電壓直接變換成任意大小和頻率的多相交流電壓的交流交流直接變換裝置驅(qū)動電動機(jī)，在電動機(jī)電流為限制水平以下時，向所述變換裝置提供第一輸出電壓指令值，使所述變換裝置運行，其特征在于，所述電動機(jī)驅(qū)動裝置包括檢測電動機(jī)電流的電流檢測單元；檢測電動機(jī)電流檢測值是否超過限制水平的比較單元；計算所述電動機(jī)的感應(yīng)電壓的感應(yīng)電壓計算單元；和當(dāng)所述比較單元檢測出電動機(jī)電流檢測值超過限制水平時，代替所述第一輸出電壓指令值，將所述感應(yīng)電壓計算單元計算出的感應(yīng)電壓作為第二輸出電壓指令值提供給所述變換裝置的單元。2.如權(quán)利要求l所述的電動機(jī)驅(qū)動裝置，其特征在于所述感應(yīng)電壓計算單元使用所述第一輸出電壓指令值、電動機(jī)電流檢測值和電動機(jī)電常數(shù)，計算感應(yīng)電壓。3.如權(quán)利要求l所述的電動機(jī)驅(qū)動裝置，其特征在于所述感應(yīng)電壓計算單元使用所述變換裝置的輸出電壓檢測值、電動機(jī)電流檢測值和電動機(jī)電常數(shù)，計算感應(yīng)電壓。全文摘要本發(fā)明提供一種電動機(jī)驅(qū)動裝置，在交流交流直接變換裝置中，不產(chǎn)生因電動機(jī)電流的急劇變化而造成的波動，在驅(qū)動或制動時，能夠使電動機(jī)電流減少，并且能夠使變換裝置安全地連續(xù)運行。在利用矩陣變換器(1)等交流交流直接變換裝置驅(qū)動電動機(jī)的電動機(jī)驅(qū)動裝置中，包括檢測電動機(jī)電流的電流檢測單元(106)；檢測電動機(jī)電流檢測值是否超過限制水平的比較單元(107)；計算電動機(jī)的感應(yīng)電壓的感應(yīng)電壓計算單元(2)；當(dāng)比較單元(107)檢測出電動機(jī)電流超過限制水平時，將感應(yīng)電壓計算單元(2)計算出的感應(yīng)電壓作為輸出電壓指令值，并將其提供給矩陣變換器(1)的切換單元(109)和PWM發(fā)生單元(101)。文檔編號H02P27/06GK101257279SQ20071008611公開日2008年9月3日申請日期2007年3月1日優(yōu)先權(quán)日2007年3月1日發(fā)明者佐藤以久也,小高章弘申請人:富士電機(jī)機(jī)器制御株式會社