CN102237846A - 电动机驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电动机驱动装置，其以如下方式进行AC/DC变换：在通常运转时抑制输入高次谐波成分，另一方面，在超负荷运转时避免系统的停止而可继续运转。从交流电源输入电力来驱动电动机的电动机驱动装置具有：AC/DC变换器，其作为变换动作模式而具有通过对串并联连接的多个功率开关元件进行PWM控制来将输入交流电压变换成直流电压的PWM变换器动作模式、以及通过与该多个功率开关元件中的各个功率开关元件分别反并联连接的多个二极管来将输入交流电压变换成直流电压的二极管整流动作模式；以及变换器控制部，其在电动机处于牵引运转状态时，根据负荷来动态切换该AC/DC变换器的该变换动作模式。

Description

电动机驱动装置
技术领域
本发明涉及从交流电源输入电力来驱动电动机的电动机驱动装置，更详细来说，涉及具有在电动机处于牵引运转状态时动态切换AC/DC变换器的变换动作模式的功能的电动机驱动装置。
背景技术
在与驱动机床、工业机械、机器人等的电动机对应的电动机驱动装置中，在将输入交流电力变换成直流电力的AC/DC变换动作的方式中包含PWM变换器方式和二极管整流方式。
PWM变换器方式是应用基于功率开关元件的PWM(Pulse WidthModulation：脉冲宽度调制)控制，使输入电流更接近正弦波的方法。虽然该PWM变换器方式具有能够减小输入电流的高次谐波成分、能够改变输出直流电压等优点，但也存在伴随功率开关元件的切换的发热比二极管整流方式大的缺点。
另一方面，二极管整流方式是以往广泛采用的方式，是使来自电源的交流输入通过二极管桥电路来实现整流的方式。在该方式中，与PWM变换器方式相反地，具有在输入中所包含的高次谐波成分大，由输入交流电压的峰值来决定输出直流电压等限制，但由于不进行切换，所以与PWM变换器方式相比功率开关元件的发热变小。
在使电动机的减速能量返回到电源侧的再生运转状态中，在PWM变换器方式的情况下，其控制与牵引运转状态下的控制相比没有特别的不同，以电流的相位与电压的相位相反的方式控制开关元件即可。另一方面，在二极管整流方式的情况下，并不是通过二极管来进行电源的再生，而是通过与二极管反并联连接的IGBT(Insulated Gate Bipolar mode Transistor：绝缘栅双极型晶体管)等元件来进行电源的再生。
现在，作为再生方式，采用为了在三相电源中的电压最高的相和电压最低的相之间流入再生电流，只接通六个开关中的两个开关的方式。另外，一般该再生方式被称为120°通电方式电源再生。结果，存在一下子流过脉冲状的大电流、噪声成分大、输出直流电压急速变化，从而对电动机的控制带来副作用等问题。
在下述的专利文献1中公开了在使电动机牵引运转时设定二极管整流方式和PWM变换器方式两个动作模式中的某一个模式的技术。但是，在该技术中牵引运转时的动作模式已被固定，只能通过PWM变换器方式或者二极管整流方式中的某一种方式进行动作。
如上所述，在PWM变换器方式中存在功率开关元件的发热增加的问题，另一方面，在二极管整流方式中存在输入电流的高次谐波成分大、具有由再生开始时流过的大电流引起的副作用等问题。另外，存在为了抑制向电源的高次谐波电流而应用PWM变换器方式的情形。但是，在PWM变换器动作的过程中负荷变大时，需要为了进行过热保护而停止系统。
【专利文献1】日本特开平8-228490号公报
发明内容
鉴于上述问题而提出本发明，其目的在于提供一种电动机驱动装置，其以如下方式进行AC/DC变换：在通常运转时抑制输入高次谐波成分，另一方面，在超负荷运转时避免系统的停止而能够持续运转。
为了达成上述目的，根据本发明，提供一种电动机驱动装置，其从交流电源输入电力来驱动电动机，其具有：AC/DC变换器，其具有PWM变换器动作模式和二极管整流动作模式来作为变换动作模式，所述PWM变换器动作模式通过对串并联连接的多个功率开关元件进行PWM控制来将输入交流电压变换成直流电压，所述二极管整流动作模式通过与该多个功率开关元件中的各个功率开关元件分别反并联连接的多个二极管将输入交流电压变换成直流电压；以及变换器控制部，其在电动机处于牵引运转状态时，根据负荷来动态切换该AC/DC变换器的该变换动作模式。
在一个优选的方式中，还具有检测该负荷的负荷检测部，该变换器控制部，在通过该负荷检测部检测出的负荷在预定的水平以下时，使该AC/DC变换器以该PWM变换器动作模式来动作，在该负荷超过预定的水平时，使该AC/DC变换器以该二极管整流动作模式来动作。
并且，该负荷检测部检测该功率开关元件的温度或安装有该功率开关元件的散热器的温度来作为该负荷。或者，该负荷检测部检测在该功率开关元件中流动的电流，并将累计该电流所得的值作为该负荷。
在本发明的电动机驱动装置中，在电动机处于牵引运转状态时，根据负荷，AC/DC变换器的变换动作模式可从PWM变换器动作模式动态切换到二极管整流动作模式。因此，在通常运转时抑制了输入高次谐波成分，另一方面，在超负荷运转时抑制了功率开关元件的发热，由此能够避免系统的停止，可继续运转。
附图说明
根据参照附图的下面的说明，可以明了本发明的其它特征以及益处。
图1是表示本发明的电动机驱动装置的一个实施方式的框图。
图2A以及图2B是表示AC/DC变换器分别以二极管整流动作模式以及PWM变换器动作模式动作时的输入电流波形的图。
图3是比较表示现有技术和本发明的图。
图4是表示在牵引运转时根据负荷来切换AC/DC变换器的变换动作模式，由此避免系统停止的情况的图。
图5是表示通过变换器控制部进行的牵引运转时的控制的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。图1是表示本发明的电动机驱动装置的一个实施方式的框图。该电动机驱动装置是从工业用的三相交流电源102输入电力后变速驱动电动机104的装置，包含逆变器106、AC/DC变换器108以及变换器控制部120。逆变器106例如是三相电压型PWM逆变器，将通过AC/DC变换器108生成的直流电力变换成适于电动机控制的交流电力。
AC/DC变换器108包含串并联连接的六个功率半导体元件A、B、C、D、E、F以及平滑电容器110。各功率半导体元件包含作为可自消弧的半导体功率开关元件的IGBT(Insulated Gate Bipolar mode Transistor：绝缘栅双极型晶体管)以及与该IGBT反并联连接的二极管。即，二极管的阴极与晶体管的集电极连接，并且二极管的阳极与晶体管的发射极连接。这些功率半导体元件被安装在散热器112上。
在AC/DC变换器108中设有检测散热器112的温度的温度检测元件114。此外，设有检测来自三相交流电源102的各相(R相、S相以及T相)的输入电流的电流检测元件116R、116S以及116T(任意元件以符号116表示)。
AC/DC变换器108，作为其变换动作模式而具有PWM变换器动作模式以及二极管整流动作模式。PWM变换器动作模式是通过IGBT部接受PWM控制来将输入交流电压变换成直流电压的模式。另一方面，二极管整流动作模式是将IGBT部全部断开，二极管部作为三相桥式整流电路来将输入交流电压变换成直流电压的模式。
变换器控制部120控制AC/DC变换器108的变换动作模式。在电动机104减速时将从逆变器106供给的电力返回到输入电源102的再生运转时，变换器控制部120使AC/DC变换器108以PWM变换器动作模式来动作。即，再生运转时，变换器控制部120进行在三相交流电源102的各相电压即R相电压、S相电压以及T相电压中，接通连接到电位最大的相的IGBT和连接到电位最小的相的IGBT，断开其他IGBT的控制。
另一方面，在将从输入电源102供给的电力供给到逆变器106的牵引运转时，变换器控制部120根据负荷来选择PWM变换器动作模式或者二极管整流动作模式，由此进行动态切换AC/DC变换器108的变换动作模式的控制。
在基于二极管整流动作的牵引运转中，在功率半导体元件A～F中，针对IGBT部的指令始终被设为断开状态，仅通过二极管部进行AC/DC变换。另一方面，在基于PWM变换器动作的牵引运转中，通过功率半导体元件A～F的IGBT部以及二极管部进行AC/DC变换，作为针对IGBT部的指令，被赋予PWM指令。
图2A以及2B是表示AC/DC变换器108分别以二极管整流动作模式以及PWM变换器动作模式动作时的输入电流波形的图。如图2A所示，二极管整流动作模式时的输入电流波形，由于是仅功率半导体元件的二极管部通电的AC/DC变换动作，因此成为每120°二极管的通电部位变化的波形。此时，针对功率半导体元件的IGBT部的指令始终成为断开状态。另一方面，如图2B所示，由于是对功率半导体元件的IGBT部赋予PWM指令来控制输入电流的AC/DC变换动作，因此PWM变换器动作模式时的输入电流波形成为正弦波形。
图3是比较表示现有技术和本发明的图。在现有技术中，牵引运转时的AC/DC变换器的变换动作模式被固定为二极管整流动作模式或PWM变换器动作模式中的某一种模式。在二极管整流动作模式的情况下，存在输入中所包含的高次谐波较大、由输入交流电压的峰值来决定输出直流电压的问题。另一方面，在PWM变换器动作模式的情况下，存在能够减小输入电流的高次谐波、能够改变输出直流电压的优点，但另一方面，存在功率半导体元件的发热增加的问题。
相对于这样的现有技术，在本发明中，牵引运转时的AC/DC变换器的变换动作模式并没有被固定为二极管整流动作模式或PWM变换器动作模式中的某一种模式，而根据负荷条件来动态切换。因此，避免系统的停止，可进行连续运转。
图4是表示在牵引运转时根据负荷来切换AC/DC变换器的变换动作模式，由此避免系统停止的情形的图。在图4中，横轴表示电动机负荷，纵轴表示散热器等的温度。在现有技术中，由于牵引运转时不能动态切换AC/DC变换器的变换动作模式，所以在负荷增大，散热器的温度或功率半导体元件的推定温度达到报警水平时，导致系统停止。
与此相对，在本发明中，在报警水平下面设置变换动作模式切换水平。可分别针对散热器的温度以及功率半导体元件的推定温度设定该变换动作模式切换水平，也可以针对散热器的温度以及功率半导体元件的推定温度中的某一方设定该变换动作模式切换水平。并且，变换器控制部120通过比较变换动作模式切换水平和这样的温度数据来判定是否需要切换牵引运转时的AC/DC变换器108的变换动作模式。
即，在基于PWM变换器动作模式的动作中，在伴随负荷的增大，温度数据达到变换动作模式切换水平时，变换器控制部120将AC/DC变换器108的变换动作模式切换到二极管整流动作模式。通过进行这样的操作，抑制了进一步的温度上升，排除了为防止过热而停止系统的必要性。
为了实现上述控制，如图1所示，变换器控制部120具有：散热器温度测定部122、元件温度推定部124、超负荷判定部126、变换动作模式切换判定部128以及IGBT指令部130。参照图5来说明它们的动作。
图5是表示通过变换器控制部120进行的牵引运转时的控制的流程图。首先，IGBT指令部130使AC/DC变换器108以在初始设定中选择的变换动作模式来动作(步骤502)。即，在二极管整流动作模式的情况下，IGBT指令部130向功率半导体元件A～F的IGBT部传送“0”(断开状态)指令。另一方面，在PWM变换器动作模式的情况下，IGBT指令部130向功率半导体元件A～F的IGBT部传送PWM指令。
接着，散热器温度测定部122根据温度检测元件114的输出来测定散热器112的温度，超负荷判定部126通过比较所测定的散热器112的温度和预定的变换动作模式切换水平来判定散热器112的温度是否在变换动作模式切换水平以下(步骤504)。
此外，元件温度推定部124通过累计电流检测元件116检测的输入电流检测值来推定功率半导体元件的温度，超负荷判定部126通过比较该推定温度和预定的变换动作模式切换水平来判定功率半导体元件的推定温度是否在变换动作模式切换水平以下(步骤506)。
在步骤504的判定结果为“是”的情况下以及步骤506的判定结果为“是”的情况下，变换动作模式切换判定部128判定为不需要切换AC/DC变换器108的变换动作模式(步骤508)。
另一方面，在步骤504的判定结果为“否”的情况下或步骤506的判定结果为“否”的情况下，变换动作模式切换判定部128判定为当前AC/DC变换器108的变换动作模式为PWM变换器动作模式，需要将其切换成二极管整流动作模式，并将该意思指示给IGBT指令部130，接收了该指示的IGBT指令部130将AC/DC变换器108的变换动作模式向二极管整流动作模式进行切换(步骤510)。
这样，本实施方式在超负荷而温度上升的情况下，将AC/DC变换器108的变换动作模式切换成二极管整流动作模式，由此减少在AC/DC变换器108中产生的热损失，抑制温度进一步上升，排除用于防止过热的系统停止的必要性。
以上，说明了本发明的实施方式，但本发明当然并不限于此，可以采用各种实施方式。例如，可代替检测安装有功率半导体元件的散热器的温度，而检测功率半导体元件自身的温度。
本发明可以通过其他特定的形式来具体化。因此，本实施例在所有方面应该看作举例表示且是非限定的，本发明的范围不通过前述的说明来表示，而是通过请求专利保护的范围来表示，所以，属于该请求专利保护的范围的意义以及等同范围的所有变更都包含在本发明的范围中。

Claims (4)

1.一种电动机驱动装置，其从交流电源输入电力来驱动电动机，其特征在于，
具有：
AC/DC变换器，其具有PWM变换器动作模式和二极管整流动作模式来作为变换动作模式，所述PWM变换器动作模式通过对串并联连接的多个功率开关元件进行PWM控制来将输入交流电压变换成直流电压，所述二极管整流动作模式通过与该多个功率开关元件中的各个功率开关元件分别反并联连接的多个二极管将输入交流电压变换成直流电压；以及
变换器控制部，其在电动机处于牵引运转状态时，根据负荷来动态切换该AC/DC变换器的该变换动作模式。
2.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于，
还具有检测该负荷的负荷检测部，该变换器控制部，在通过该负荷检测部检测出的负荷在预定的水平以下时，使该AC/DC变换器以该PWM变换器动作模式来动作，在该负荷超过预定的水平时，使该AC/DC变换器以该二极管整流动作模式来动作。
3.根据权利要求2所述的电动机驱动装置，其特征在于，
该负荷检测部检测该功率开关元件的温度或安装有该功率开关元件的散热器的温度来作为该负荷。
4.根据权利要求2所述的电动机驱动装置，其特征在于，
该负荷检测部检测在该功率开关元件中流动的电流，并检测累计该电流所得的值来作为该负荷。
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