CN104106205A - 交流电机系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

当流过交流电动机(21)的各电气端子的电流达到零附近时，进行使交流电动机(21)的电气端子变为断开状态、或者变为能够通过逆变器(11)内部的回流二极管使电气端子导通的状态的操作。这里，作为使流过各电气端子的电流达到零附近的操作，使逆变器(11)的所有上桥臂或下桥臂的开关元件导通来使电气端子短路。由此来防止或抑制交流电动机(21)等的电抗分量所具有的电磁能在逆变器(11)的运行停止时从交流电动机(21)流入逆变器(11)一侧。其结果，防止了过电压、过电流的产生，从而保护逆变器(11)、主电容器(50)、电源，提高了交流电机系统的安全性。

Description

交流电机系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及交流电机系统，该交流电机系统包括：交流电动机、交流发电机、交流电源等交流电机；以及与该交流电机之间进行功率交换的功率转换器。更详细而言，本发明涉及在功率转换器停止运行时、防止或抑制电磁能从交流电机流入功率转换器一侧的交流电机系统及其控制方法。
背景技术
图11是表示交流电机系统的一个示例的示意图。图11中，10是逆变器、整流器那样能控制交流电的功率转换器，20是交流电动机、交流电源等交流电机。
在该交流电机系统中，通过功率转换器10的功率转换动作、以及交流电机20的电动机动作、发电机动作等，在功率转换器10与交流电机20之间进行交流电的交换。
在上述结构中，交流电机20中存在电抗分量，功率转换器10与交流电机20之间的电缆中也存在电抗。此外，电缆的中途所连接的作为元器件的电抗器、滤波器中也存在电抗。图11中，30表示交流电机20以外的电抗分量。
接着，图12是表示图11的具体例的示意图。图12中，11是作为三相功率转换器的全桥型逆变器，111～116是构成逆变器1的半导体开关元件，21是作为交流电机的交流电动机，40是电源(直流电源)，50是直流电压部的电容器(以下称为主电容器)。
在该交流电机系统中，通过使逆变器11的开关元件111～116导通、截止来对提供给交流电动机21的三相(U、V、W相)的交流电进行控制，从而能调整交流电动机21的产生转矩、转速。
由于这种交流电机系统是公知的，因此省略对电路结构以及动作的详细说明。
在上述那样的交流电机系统中，功率转换器10的运行停止时会产生问题。即，存在上述电抗分量所具有的电磁能会在功率转换器10停止时流入功率转换器10的问题。
以图12的交流电机系统为例进行说明，在逆变器11的运行停止时，即使逆变器11的所有开关元件111～116截止时，交流电动机21所具有的电磁能会流入逆变器11，导致如下问题的产生。
首先，通过逆变器11内的回流二极管使直流电压部的主电容器50的电压上升，若该电压超过主电容器50、开关元件111～116的耐压，则这些元器件会损坏。为了避免该问题，提高主电容器50的静电电容、提高主电容器50、开关元件111～116的耐压等对策是有效的，但都会导致成本、体积、产生损耗增大等。
对此，存在如下方法：与主电容器50串联地添加半导体开关元件与电阻的串联连接电路(动态制动电路)，当施加在主电容器50上的电压过大时，使动态制动电路动作来抑制主电容器50的电压上升。然而，该方法也无法避免因添加动态制动电路而带来的成本、体积增大的问题。尤其是功率转换器在电流流通时停止大多是在非常时期才会发生，若特意为此设置动态制动电路，则显然是不经济的。
接着，若交流电动机21例如是永磁体型同步电动机(Permanent MagnetSynchronousMotor：PMSM，以下也称为PM电动机)，则在电动机高速旋转时，空载感应电压(感应电动势)可能会高于直流电压部的电压，此时，在功率转换器10停止后，电流也会继续流入直流电压部。尤其是在直流电压部连接有电池作为电源的情况下，若流入直流电压部的电流过大，则电池可能会损坏。
在该情况下，为了摆脱流入直流电压部的电流过大的状态，考虑在电池与功率转换器之间设置直流开关，并将该直流开关切断。然而，当电流流入交流电机(该例中为PM电动机)时，电抗分量所具有的电磁能还是会流入主电容器50，其结果使导致对主电容器50施加了过电压。
此外，作为构成交流电机系统的功率转换器10，除了图12所示的逆变器11以外，还存在矩阵转换器那样、能对电流进行双向流通、切断的半导体开关元件与交流电机20相连的情况。在该矩阵转换器中，若使开关元件截止从而设为任意方向都无法流过电流的状态，则电抗分量所具有的电磁能将无处释放，导致在开关元件上瞬间施加过大的电压，开关元件可能会损坏。
这里，图13是表示在图12的交流电机系统中、逆变器11的停止运行时的模拟结果的波形图。另外，交流动机21中使用了PM电动机，图13示出了在逆变器11进行再生动作的状态(将PM电动机的产生电力提供给逆变器11一侧的状态)下、在时刻t1停止逆变器11的运行时各部分的电压、电流等行为。
根据图13可知，原先为400[V]的直流电压部的电压(图中的逆变器直流电压)在时刻t1以后上升到了800[V]。因此，若主电容器50的耐压低于800[V]，则主电容器50会损坏。
这种现象产生于以下情况：即，在图12的结构中，逆变器11的运行停止后，电流没有从逆变器11一侧流入电源40。
例如在图14所示那样、电源40由电池41以及直流继电器的继电器触点(以下称为直流开关)42构成的情况下，若在逆变器11停止运行的同时使直流开关42截止，则因PM电动机的再生功率而产生的电流无法经由逆变器11的回流二极管流入电池41，因而会对主电容器50施加过电压。
图15是表示在图14的交流电机系统中、逆变器11的运行停止时的模拟结果的波形图，是对电流流入电源40进行模拟的情况。
在该模拟中，使PM电动机高速旋转，使得空载感应电压高于直流电压部的电压，并在逆变器11进行再生动作的时刻t1停止逆变器11的运行，在此后的时刻t2切断直流开关42，求出此时的系统行为。
根据图15，在逆变器11的运行停止的时刻t1以后，如标号d所示，会有比时刻t1以前更大的电流流入电池41，若电池41的电流承受能力低于该电流值，则电池41可能会损坏。
此外，在切断直流开关42的时刻t2以后，直流电压部的电压会大幅上升，因此主电容器50的耐压会成为问题。
作为解决上述问题的方法之一，存在专利文献1所公开的现有技术。
在专利文献1的现有技术中，当电路的主开关(相当于图14中的直流开关42)由于某种原因而断开时，使逆变器的上桥臂或下桥臂的开关元件全部进入导通状态来使电动机的定子绕组短路，从而避免电磁能从电动机流入逆变器。
由此能防止过大的电流流入电源侧，或对主电容器施加过电压。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开平9-47055号公报(段落[0024]～[0034]、图1、图2等)
发明内容
发明所要解决的技术问题
专利文献1所公开的现有技术存在以下问题。
(1)该现有技术中，通过使电动机短路来持续流过过大的电流，因此可能会导致电动机的过热、永磁体的退磁。
(2)该现有技术中，因电动机短路而流过的过大电流的衰减依赖于电动机的减速，因此，过大的短路电流通常需要相当多的时间来进行衰减。而且，若在电动机充分减速前停止逆变器的运行，即使所有开关元件截止，则储存在电抗分量中的电磁能会通过较大的短路电流流入逆变器。
特别是在主电容器的电容较小的情况下，主电容器的电压上升容易产生问题。例如在电动车用逆变器中，出于延长寿命等理由，大多使用单位体积的电容较小的滤波电容器，因此主电容器的电压上升尤其会产生问题。
因此，本发明的目的在于，在具备交流电机、功率转换器及其控制装置的交流电机系统中，防止或抑制电抗分量所具有的电磁能在功率转换器停止运行时流入功率转换器一侧，防止过电压、过电流的产生，从而提高系统的安全性。
解决技术问题所采用的技术方案
为了解决上述问题，本发明的一种交流电机系统，包括：交流电机；在该交流电机之间进行功率交换的功率转换器；以及控制装置，其特征在于，在流过交流电机的各电气端子的电流达到零附近时，进行如下操作：使交流电机的电气端子实质性变为断开状态，或变为能够通过功率转换器内部的回流二极管使该电气端子导通的状态。这里，利用电流检测值、电流的推定运算值来获取流过交流电机的各电气端子的电流达到零附近的时刻。
此外，为了使流过所述电气端子的电流达到零附近，利用功率转换器的下桥臂或上桥臂的开关元件以及回流二极管使电流回流，由此来使交流电机的多个电气端子彼此短路即可。
发明效果
根据本发明，在流过交流电机的各电气端子的电流达到零附近时，进行使交流电机的电气端子变为断开状态、或使电气端子变为能通过功率转换器内部导通的状态的操作，从而防止或抑制交流电机等的电抗所具有的电磁能在功率转换器停止运行时从交流电机流入功率转换器一侧。由此，能防止过电压、过电流的产生来保护功率转换器、电源，并能提高交流电机系统的安全性。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的动作的波形图。
图2是本发明实施方式的交流电机系统的主要部分的结构图。
图3是表示本发明的实施方式的动作的波形图。
图4是本发明实施方式的交流电机系统的主要部分的结构图。
图5是表示本发明的实施方式的动作的波形图。
图6是表示感应电动势以及直流电压部的电压与交流电动机的转速的关系的特性图。
图7是表示本发明实施方式的控制装置的逻辑的电路图。
图8是表示不实施权利要求13所涉及的发明时的现象的波形图。
图9是用于说明本发明实施方式的动作的交流电机系统的主要部分的结构图。
图10是表示本发明的实施方式的动作的波形图。
图11是表示交流电机系统的一个示例的示意图。
图12是图11的具体例的示意图。
图13是表示以图12的交流电机系统为对象的模拟结果的波形图。
图14是表示图12的交流电机系统的具体例的电路图。
图15是表示以图14的交流电机系统为对象的模拟结果的波形图。
具体实施方式
下面，按照附图对本发明的实施方式进行说明。
首先说明相当于权利要求1、2的本发明的实施方式。本实施方式例如适用于图12、图14所示的三相交流电机系统，但也能适用于交流电机系统的相数超过三相的情况。
在三相的系统中，若三相交流为平衡正弦波，则在稳定状态下，功率理论上是恒定的。实际的系统中，严格的三相平衡正弦波的情况较少，但基本上都假定为三相平衡正弦波来构建系统，在下面的说明中，这一思考方法是有效的。
即，在图14所示的三相交流电机系统中，若使逆变器11的运行在三相上同时停止，只要在停止时各相的功率相等这一条件下，则无论在哪个时刻停止逆变器11，交流电动机1等的电抗分量必然具有电磁能，该电磁能会流入逆变器11一侧从而产生上述那样的问题。
为此，在本实施方式中，通过对逆变器11各相开关元件的截止时序进行控制，来抑制交流电动机21等电抗所具有的电磁能流入逆变器11一侧。
即，若将三相的交流电动机21的电流按照各相区分来看，则各相电流为交流，因此每半个周期必然会产生一次电流为零的瞬间。着眼于这一点，本实施方式中，对于各相，当电流达到零附近时使该相的逆变器11的上下桥臂的开关元件变为截止状态，并在所有的三相中依次进行这一操作。
若各相的通电电流为零，则该相的电抗分量所具有的电磁能为零，因此通过进行使该相的开关元件截止的操作，能防止或抑制电磁能从交流电动机21流入逆变器11一侧。
这里，图1是表示本实施方式的动作的波形图。
图1中，期间a是逆变器11进行再生动作的期间、即、使交流电动机21进行再生运行并由逆变器11控制其产生的电力的期间(以下也称为转换器动作期间)，期间b是从逆变器11的各相电流达到零的时刻起使上下桥臂的开关元件一并地来按照各相依次进行截止的期间(以下也称为转换器过渡期间)，期间c是逆变器11的运行完全停止的期间(以下也称为转换器停止期间)。
另外，图1的各波形中，Vuv是U-V相间的线间电压，iu、iv、iw是的U、V、W相的输出电流，idc是图14的电池41中流过的直流电流，Vd c是逆变器11的直流电压(直流电压部的电压)。
根据图1，在期间b内，逆变器11的输出电流与期间a相比有所增加，并流入交流电动机21，而流入电池41的电流为零。此外，在期间a、b内，逆变器11的直流电压为460[V]，而在期间c内为570[V]，与图13的现有技术相比，施加在主电容器50上的电压大幅降低，因此能实现主电容器50的低耐压化。
接着，图2是本实施方式的交流电机系统的主要部分的结构图。
该图2示出在图14所示的全桥型逆变器11的一相(例如U相)上、使上下桥臂的开关元件一并截止的状态。图2中，111D、112D是U相的回流二极管。
若使逆变器11的U相的上下桥臂的开关元件一并截止，则在该U相中，如图2所示，变为能仅经由回流二极管111D、112D来与交流电动机21的电气端子导通的状态。因此，只要U相相对于另一相的电压低于直流电压部的电压，则U相处于断开状态，不会有电流流过。此外，即使U相相对于另一相的电压高于直流电压的电压，也仅在该大小关系成立期间有电流流过，因此相对于通常动作时能抑制流过的电流。
这里，以全桥型逆变器11为例进行了说明，但本发明并不限于此，也能引用于其它种类的功率转换器。
例如在矩阵转换器中，也能在某一项的电流达到零附近的时刻使该相的开关元件截止。该情况下，该相实质上变为断开状态，与上述那样仅经由回流二极管导通的状态不同。由权利要求1、2的记载明确可知，本发明不仅使用逆变器，也使用矩阵转换器作为功率转换器。
接着，图3是表示权利要求3所对应的动作的波形图。
图3中，与上述同样，期间a是转换器动作期间，期间b是转换器过渡期间，期间c是转换器停止期间。图3中示出如下方式：在从期间a过渡到期间b时，通过使交流电动机21各相的电气端子短路来使交流电动机21的电流回流(该动作模式成为回流模式)，之后在期间b内进行以下说明的规定的开关元件的操作。
若使交流电动机21各相的电气端子短路，则电力不会从交流电动机21经由逆变器11流入电池41一侧，并且由于此时的短路电流为交流，因此必然会产生交替、即电流为零的瞬间。因此，如上所述，能在逆变器11各相的输出电流达到零的时刻，进行使该相的上下桥臂的开关元件截止的操作。
另外，使交流电动机21各相的电气端子短路来使电流回流的方法例如可以通过对逆变器11的开关元件的导通、截止状态进行控制或者添加专用的电路来实现。在图3的示例中，通过使逆变器11的下桥臂的开关元件112、114、116全部导通来使交流电动机21各相的电气端子短路。
接着，图4是全桥型逆变器11中、使交流电动机21各相的电气端子短路来使电流回流时的主要部分的说明图，相当于权利要求4。
在利用全桥型逆变器11驱动交流电动机21的情况下，只要使逆变器11上桥臂的所有开关元件111、113、115或下桥臂的所有开关元件112、114、116变为导通状态，则能使交流电动机21所有相的电气端子短路。图4中，使用圆圈标记包围的下桥臂的所有开关元件112、114、116导通。
另外，通过如上述那样使逆变器11上桥臂或下桥臂的所有开关元件导通来使与逆变器11相连的负载的电气端子短路的技术本身是公知的，因此不再进行详述。
图5是表示与权利要求5相对应的实施方式的动作的波形图。
该实施方式中，在转换器动作期间a内，如图4所示那样使下桥臂的所有开关元件112、114、116变为导通状态，使上桥臂的所有开关元件111、113、115变为截止状态，之后开始转换器过渡期间b。
通过该操作，使得在期间b内，交流电动机21的各相被短路，因此，从交流电动机21产生的电压、以及交流电动机21的电抗分量中流过的电流所引起的电磁能会导致比较大的短路电流iu、iv、iw通过交流电动机21与下桥臂的开关元件112、114、116并回流。
这里，在下桥臂的开关元件112、114、116例如由IGBT等有源开关元件、以及与该有源开关元件并联连接的回流二极管构成的情况下，当电流流过回流二极管时，没有电流流过并联连接的有源开关元件。在这种状态下，使该有源开关元件变为截止状态。该操作不会引起短路电流的实质性变化。
若进行这种操作，则在该相中，流过回流二极管的电流逐渐减少，并且在即将达到零的时刻使与该回流二极管并联连接的有源开关元件截止，因此将电流维持在零。由此，对于该相实现了在电流为零的状态使开关元件截止的操作。
此外，在电流流入有源开关元件的情况下，也在其值达到零或规定值以下时，使该有源开关元件截止。这里，只要将因有源开关元件截止而从交流电动机21流入逆变器11的电流、或者因电流流入而上升的直流电压部的电压为允许值以下作为指标来决定上述规定值即可。
另外，图5中的标号e表示W相电流iw达到零的时刻，标号f表示U相电流iu、V相电流iv达到零的时刻。标号g表示在该时刻使正电流iw所流过的W相的下桥臂的开关元件116截止，标号h表示在该时刻使正电流iv流过的V相的下桥臂的开关元件114截止。
通过对各相进行上述那样的操作，能在电流达到零的时刻使开关元件截止。
根据图5，虽然在从转换器过渡期间b切换为转换器停止期间c时，直流电压部的电压上升，但其值是从460[V]上升到570[V]，抑制了上升到图13所示那样的800[V]的过大值的情况。
另外，图5中电压从460[V]上升到570[V]是在交流电动机21的电气端子上的电流持续流通的状态下使开关元件截止而引起的。然而，开关元件截止时的电流值与图13相比变小，因而电压的上升得到了抑制，表明实现了本发明所期望的效果。
该实施方式也能应用于四相以上的交流电机系统。
此外，在三相中最初的一相(这里称为A相)的下桥臂的开关元件变为截止状态的情况下，当剩余的两相(称为B相、C相)处于短路状态时，若A相相对于B相、C相各端子的电位(称为电压Va)高于逆变器11的直流电压部的电压，则即使A相下桥臂的开关元件处于截止状态，电流也会流入A相上桥臂的开关元件的回流二极管。然而，该电流流动的期间仅为电压Va高于直流电压部的电压的期间，大多情况下不会导致显著的电压上升，因此不会有太大问题。
另外，以上说明中对操作下桥臂的开关元件时的动作进行了说明，但如权利要求6所记载那样，在操作上桥臂的开关元件的情况下也能实现完全相同的动作。
上述开关元件的操作可以容易地通过使用电流检测器作为权利要求1中的电流信息获取单元，利用该电流检测器检测交流电动机21各相的电流来实现。
作为电流信息获取单元的其它示例，如权利要求7所记载的那样，可以通过基于短路操作开始时刻的交流电机系统的状态(各相电流的振幅及相位、以及交流电动机21的转速等)等、利用交流电动机21的数学模型对短路后的电流行为进行推定运算来实现。这尤其适用于不检测交流电动机21的相电流而是对相电流进行推算来驱动交流电动机21的交流电机系统。
接着，对权利要求8所对应的实施方式进行说明。如图14所示，该实施方式涉及例如具有搭载于电动车的电池41等直流电源的交流电机系统。
图14中，若在向交流电动机21通电的过程中停止逆变器11的运行，则电磁能从交流电动机21流入逆变器11，但由于直流电压部的电压会被电池41钳位，因此直流电压不会产生实质性的上扬。然而，取而代之，可能会有过电流流入电池41。
由于电池41可能会因为过电流的流入而显著劣化，因此不希望产生这种情况。
为此，本实施方式中，通过进行如下操作来防止过电流流入电池41。
即，首先，使交流电动机21的所有电气端子短路。短路的方法如上述那样使逆变器11上桥臂或下桥臂的所有开关元件导通即可。由此，如上述那样，流过电池41的电流变为零。
在该状态下，使电池41与直流电压部之间的直流开关42截止。对直流电路进行开闭控制的开关可能无法在流过电路的电流过大的状态下截止，但只要是流过电池41的电流为零的状态，则能可靠地使直流开关42截止。
接着，如上所述，在各相的电流达到零的时刻依次进行使该相的开关元件截止的操作。
由此，能避免过电流流入电池41，并抑制直流电压部的电压上升，能安全地使系统停止。
接着，对相当于权利要求9、10的实施方式进行说明。
本发明所涉及的技术特别在交流电机为PM电动机的情况下能发挥出较大的效果。即，PM电动机具有与永磁体的磁通引起的感应电动势(磁体电动势)，其振幅通常与转速成比例。因此，在高转速区域，会在PM电动机的端子之间产生比较高的电动势，因此若在利用逆变器等功率转换器对PM电动机进行驱动的过程中停止功率转换器的运行，则从PM电动机流入功率转换器的电磁能有容易变大的倾向。
另外，在感应电动机、绕组型同步电动机中，由于能通过在高转速时调整电流来降低电动势，因此这一点与PM电动机是不同的。
这里，图6是表示感应电动势以及直流电压部的电压与交流电动机(PM电动机)的转速的关系的特性图。
在以PM电动机为应用对象的交流电机系统中，当感应电动势的线间峰值比驱动PM电动机的逆变器11的直流电压部的电压要高时，本发明的作用效果变大。
另外，众所周知，由于PM电动机的结构与永磁体型同步发电机相同，因此本实施方式能应用于包含这两者的永磁体型同步电动机。
如上所述，感应电动势与转速成比例。因此，在设计成在PM电动机所允许的最高转速下、感应电动势比逆变器11的直流电压部要高的系统中，在逆变器11即将停止之前的PM电动机的电磁能的多少无关、通过例如电池41将直流电压维持在大致一定值的情况下，在逆变器11的运行停止后，电流也会继续从PM电动机流出。因此，上述电流可能会导致电池41过热或损坏。
此外，即使直流电压部未与电池41相连，由于原本停止时的电动机端子电压较高，因此流入直流电压部的电流容易变大，很有必要对该电流进行抑制。
因此，通过应用本发明，从而特别是在直流电压部与电池41相连的交流电机系统中，能防止电流继续流入电池41。而且，即使是这种交流电机系统以外的情况，也能抑制过电流流入直流电压部。
在使用PM电动机的交流电机系统中，由于存在上述直流电压部的电压上升的问题，因此为了安全起见，很多情况下必须将PM电动机的感应电动势设计得较低，在极端情况下必须低于直流电压部的电压。这意味着在使电动机产生相同工作量的情况下，所需的电流变大，电流值变大会导致驱动用逆变器、电缆的电容增大，既不经济，还会导致逆变器的尺寸、质量增大。
这些问题在将交流电机系统应用于各种产业、电动车等时会造成较大障碍。因此，利用本发明解决直流电压部的电压过度上升的问题，从而能消除上述障碍，能大幅推进交流电机系统的经济型和小型轻量化。
接着，对权利要求11所对应的实施方式进行说明。
由图1、图3、图5可知，本发明在转换器过渡期间b内，会在瞬间有较大电流流入交流电动机21的定子绕组。通常，永磁体中存在称为不可逆退磁的现象。也就是如下这种现象：若在使永磁体退磁的方向上施加较大的磁通，则永磁体的磁化会不可逆地减弱，除非再次进行磁化，否则无法恢复。
在PM电动机中，若有电流流过定子绕组，则会产生磁通，根据转子位置的不同，从定子绕组产生的磁通可能会作用在使永磁体退磁的方向上。也就是说，流过PM电动机绕组的电流值可能会使PM电动机内的永磁体产生不可逆退磁，这会导致PM电动机无法发挥所期望的特性。
为了避免上述不可逆退磁，例如需要增加永磁体的量、或对PM电动机的结构进行优化，这些对策优选从PM电动机的设计阶段起开始考虑。
即，为了确保交流电机系统整体的安全，可能需要在应用本发明使系统安全停止后，使系统再次运行。在这种情况下，利用上述方法，将电动机设计成永磁体不会产生不可逆退磁即可。
另外，在允许产生一定程度的不可逆退磁的用途中，也可以利用转换器过渡期间b中瞬时流过的过电流来设计成PM电动机会产生不可逆退磁。
即，通过不可逆退磁，与不产生不可逆退磁的情况相比，通常能减少永磁体的量，或降低永磁体的等级，因此能实现PM电动机的低成本化。而且，由于不可逆退磁使得感应电动势下降，因此从PM电动机流入逆变器侧的电磁能减少，在转换器过渡期间b内流过的电流减少，因此能抑制PM电动机、逆变器的发热。
接着，对权利要求12所对应的实施方式进行说明。
上述各实施方式的上位概念所对应的技术思想如下所示。
即，在转换器过渡期间b内，通过逆变器11等功率转换器的操作来防止或抑制能量从交流电动机21等交流电机流入功率转换器，并能使功率转换器安全地停止，而无需等待驱动交流电机的力学动力源的能量被消耗而使得电磁能衰减到安全的水平，换言之，无需等待交流电机减速到安全的速度水平。
例如在将本发明的交流电机系统应用于具有车轮的输送设备等情况下，只要对功率转换器的开关元件进行控制，使交流电机的绕组短路，就能抑制能量从交流电机流入功率转换器。然而，若持续该状态，则理论上输送设备的动能会在交流电机内被绕组的电阻损耗、铁心的铁损、或摩擦力等消耗，且必须等到车辆减速到即使转换器停止也不会产生问题的速度水平，才能停止转换器的运行。即，必须在极长的时间内持续交流电机的短路状态，因而交流电机以及功率转换器因过热而损坏的可能性变得极高。若为了避免该问题来设计交流电机系统，则系统过剩会过高，导致整体的质量、尺寸、成本上升。
由此，若采用本发明，通过在上述转换器过渡期间b内对控制功率转换器的开关元件的时序进行适当操作，从而能安全地使系统停止，而无需使交流电机长时间短路，换言之，无需等待交流电机减速到安全水平。
另外，功率转换器通常以检测到过电流后将功率转换器的所有开关元件一起切断的方式动作。这种动作称为“过电流脱扣”。
然而，本发明在检测到过电流时并不立即切换到切断动作，这一点与“过电流脱扣”是不相容的。因此，在应用本发明时，需要停止过电流脱扣功能。作为一个方法，考虑在交流电机的转速以及电流小于规定值时，由于从交流电机产生的电磁能也相对较小，因此激活过电流脱扣功能，而在转速以及电流超过规定值时，应用本发明。
接着，图7是表示用于实现本发明的实施方式的逻辑的电路图。
图7中，201是电阻，202是电容器，203是波形整形电路，204是非门，205、206是或门，207是归零锁存电路(zero latch circuit)，208、211是与门，209是作为上述电流信息获取单元的电流检测器，210是比较器，212、213是放大器。此外，如上所述，111例如是逆变器11的U相上桥臂的开关元件，112是下桥臂的开关元件，111D、112D分别是与上述开关元件111、112反向并联连接的回流二极管。
如上所述，在不检测交流电动机21的电流而利用推定运算获取电流达到零附近的时刻的情况下，作为电流信息获取单元，将通过运算单元求得的电流推定值代替电流检测器209的检测值，来输入比较器。
图7中，紧急停止信号ES是如下这种信号：例如将图14的直流开关42因某种原因而断开那样的情况识别为紧急时期而变为“0”，而在交流电机系统正常运行时变为“1”。
在紧急停止信号ES为“1”期间，分别利用控制用开关信号S1、S2使逆变器11的U相上下桥臂的开关元件111、112导通、截止。现在，若紧急停止信号ES变为“0”，则控制用开关信号S1、S2因与门211、208的作用而变为无效。由此，上桥臂的开关元件111变为截止状态，下桥臂的开关元件112变为导通状态，与此同时，根据电流i的极性来切换输出信号的比较器210的输入被激活。该比较器210在电流i为正电流时输出“0”，在电流i为负电流时输出“1”，该输出通过或门206输入到归零锁存电路207。
归零锁存电路207在输入信号从“1”变化为“0”的同时输出“0”，此后保持该状态。因此，在紧急停止信号ES为“1”期间，由于或门206的作用向归零锁存电路207输入“1”，之后若紧急停止信号ES变为“0”，当电流i变为正电流时，向归零锁存电路207输入“0”。
归零锁存电路207的输出信号即为生成下桥臂的开关元件112的控制信号的与门208的输入信号，该输入信号变为“0”导致开关元件112变为截止状态。
以上说明的动作例如对应于图1中从转换器动作期间a起、由于紧急停止信号ES的输入进入转换器过渡期间b后、根据电流i的极性使下桥臂的开关元件112截止为止的动作。另外，当开关元件112因某些故障始终无法达到截止状态构成安全上的问题时，若紧急停止信号ES从“1”变为“0”，则在经过规定时间后强制使开关元件112截止即可。在图7的示例中，能通过调整电阻201以及电容器202的时间常数来调整上述规定时间，并能通过与电阻201和电容器202的连接点相连的波形整形电路203、与门208、放大器212来实现开关元件112的关断延时动作。
另外，图7主要通过电路来实现所期望的逻辑，但众所周知，电路的结构具有较大的自由度，图7所示的电路仅仅是最基本的实施例之一。因此，当然也能采用图7以外的电路结构，也可以利用软件来实现图7中的一部分功能。
接着，基于图8～图10说明权利要求13所对应的实施方式。
在图4的结构中，如权利要求5所述那样，在转换器过渡期间b内、三相中最初的一相(这里称为A相)的下桥臂的开关元件变为截止状态的情况下，若剩余的两相(称为B相、C相)处于短路状态，则会进一步以下现象。
即，若A相的电位变得低于B相以及C相的短路部分的电位，则与A相的下桥臂的开关元件并联连接的回流二极管可能会导通，导致电流再次流入A相。图8示出了该状态，在图8的示例中，V相的电流iv保持为负电流而不与零交叉，因此若采用权利要求4所示的方法则无法从转换器过渡期间b切换到转换器停止期间c，转换器过渡期间b会持续下去。该现象产生于W相(这里相当于所谓的A相)的电流iw暂时变为零后再次开始流动。
利用以下所示的方法能解决上述问题。即，由于电流再次流入A相是因为上述那样A相的电位低于B相以及C相的短路部分的电位，因此只要产生在维持B相以及C相通电的状态下，通过A相的电位变低使电流被切断的状态即可。
具体而言，在A相的电流暂时变为零后、检测到再次开始流动时、或判定为处于电流能够再次流动的情况下，如图9所示那样改变各开关元件的状态即可。另外，图9中，用圆圈标记包围导通状态的开关元件。
即，对于A相(图9的W相)，维持逆变器11上下桥臂的开关元件的截止状态，对于B相、C相(分别为U相、V相)，首先使下桥臂的开关元件112、114变为截止状态，在电流为正电流时，使上桥臂的开关元件111变为导通状态。通过该操作，在电流为正电流(该例中，U相电流为正电流)时，电流通过上桥臂的开关元件111来流动，在电流为负电流(该例中，V相电流为负电流)时，电流通过与上桥臂的开关元件113反向并联的回流二极管来流动。
即，通过图9所示的动作，在维持交流电动正极21的通电状态的情况下，将电流的短路路径从下桥臂的开关元件组切换为上桥臂的开关元件组。
此时，对于A相(W相)，上桥臂的回流二极管称为短路路径后，如以上说明的那样，该状态下，A相的电位低于B相与C相的短路部分的电位，因此上述上桥臂的回流二极管变为切断状态，不再有电流流过。
通过上述操作，流过B相、C相的电流最终达到零，该时刻，使先变为导通状态的上桥臂的开关元件变为截止状态，使得逆变器11的所有开关元件变为截止状态，从而能在电流为零的状态下切换到转换器停止期间c。
图10是进行上述一系列操作时的波形。
在转换器过渡期间b1，在图8所示的W相的电流变为零后，在再次开始流动的期间b2内进行上述上桥桥臂的开关元件组的切换操作，从而维持U相、V相(B相、C相)的通电状态，且W相的电流被上桥臂的回流二极管切断。
之后，U相、W相的电流也变为零，期间b2结束，从而进入转换器停止期间c。此时直流电压部的电压上升极小，该例中，从460[V]上升到463[V]，可以说实质上消除了电压的上升。
另外，以上说明中，对从下桥臂的开关元件组切换到上桥臂的开关元件组的短路路径的切换操作进行了说明，但对于权利要求14所述那样，从上桥臂的开关元件组切换到下桥臂的开关元件组的切换操作，也完全同样地能实现。
此外，权利要求13、14的控制方法也能应用于权利要求8那样具有电池41等直流电源的交流电机系统。
工业上的实用性
本发明能够用于例如以通过逆变器驱动车辆驱动用交流电动机的电动车用或混合动力汽车用的电动机驱动系统为代表的、在功率转换器与交流电机之间进行功率交换的各种交流电机系统。
标号说明
10  功率转换器
11  逆变器
20  交流电机
21  交流电动机
30  电抗分量
40  电源
50  主电容器
111～116  半导体开关元件
111D、112D  回流二极管
201 电阻
202 电容器
203 波形整形电路
204 非门
205、206  或门
207 归零锁存电路
208、211  与门
209 电流检测器
210 比较器
212、213  放大器

Claims (14)

1.一种交流电机系统，包括：交流电机；
与所述交流电机的多个电气端子相连、并与所述交流电机之间进行功率交换的功率转换器；以及
对构成所述功率转换器的半导体开关元件进行控制的控制装置，
其特征在于，
包括电流信息获取单元，该电流信息获取单元获取流过所述交流电机的各电气端子的电流达到零附近的时刻，
在用于从在所述功率转换器与所述交流电机之间交换功率的转换器动作期间过渡到不进行功率交换的转换器停止期间的转换器过渡期间内，
在所述电流信息获取单元获取到所述时刻的情况下，通过所述控制装置对所有所述电气端子进行使所述电气端子变为断开状态、或变为能够通过所述功率转换器内部的整流元件使电气端子导通的状态的操作。
2.一种交流电机系统的控制方法，该交流电机系统包括：交流电机；
与所述交流电机的多个电气端子相连、并与所述交流电机之间进行功率交换的功率转换器；以及
对构成所述功率转换器的半导体开关元件进行控制的控制装置，
该交流电机系统的控制方法的特征在于，
在用于从在所述功率转换器与所述交流电机之间交换功率的转换器动作期间过渡到不进行功率交换的转换器停止期间的转换器过渡期间内，
在流过所述交流电机的各电流端子的电流达到零附近的时刻，对所有所述电气端子进行使该电气端子断开、或变为能够通过所述功率转换器内部的整流元件使电气端子导通的状态的操作。
3.如权利要求2所述的交流电机系统的控制方法，其特征在于，
作为所述转换器过渡期间内的所述功率转换器的操作，使所述交流电机的多个电气端子彼此短路的操作，由此产生流过所述电气端子的电流达到零附近的状态。
4.如权利要求3所述的交流电机系统的控制方法，其特征在于，
所述功率转换器为全桥型逆变器，
使所述电气端子彼此短路的操作通过利用构成所述逆变器的半导体开关元件、以及与该开关元件反向并联连接的回流二极管使电流回流来进行。
5.如权利要求4所述的交流电机系统的控制方法，其特征在于，
在所述转换器过渡期间内，
在流过各电气端子的电流的方向是从所述功率转换器朝向所述交流电机的正方向的情况下、或在流过各电气端子的电流的大小在规定的负值到零的范围内的情况下，使与该电气端子相连的所述功率转换器的上下桥臂的半导体开关元件变为截止状态，并维持该状态，
在流过各电气端子的电流的大小在所述规定的负值以下时，使与该电气端子相连的上桥臂的开关元件变为截止状态，并使下桥臂的开关元件变为导通状态，
在流过该电气端子的电流达到零附近的时刻，进行使下桥臂的开关元件变为截止状态的操作。
6.如权利要求4所述的交流电机系统的控制方法，其特征在于，
在所述转换器过渡期间内，
在流过各电气端子的电流的方向是从所述功率转换器朝向所述交流电机的正方向的情况下、或在流过各电气端子的电流的大小在规定的负值到零的范围内的情况下，使与该电气端子相连的所述功率转换器的上桥臂的半导体开关元件变为导通状态，使下桥臂的半导体开关元件变为截止状态，
在流过各电气端子的电流的大小在所述规定的负值以下时，使与该电气端子相连的所述功率转换器的上下桥臂的半导体开关元件变为截止状态，并维持该状态，
在流过该电气端子的电流达到零附近的时刻，进行使上桥臂的开关元件变为截止状态的操作。
7.如权利要求5或6所述的交流电机系统的控制方法，其特征在于，
各开关元件的操作通过根据所述转换器过渡期间的开始时刻的系统状态推定此后的系统行为来实现。
8.如权利要求4至6的任一项所述的交流电机系统的控制方法，其特征在于，
所述功率转换器的直流电压部通过直流开关与直流电源相连，
在所述转换器过渡期间内，
在所述交流电机的多个电气端子彼此短路的期间，使所述直流开关截止，
此后，对所有所述电气端子进行如下操作；对于所述多个电气端子，依次使流过各电气端子的电流减少到零附近，并在该时刻使该电气端子断开、或变为能够通过所述功率转换器内部的整流元件使电气端子导通的状态的操作。
9.如权利要求2所述的交流电机系统的控制方法，其特征在于，
所述交流电机是永磁体型同步电机。
10.如权利要求9所述的交流电机系统的控制方法，其特征在于，
所述功率转换器为全桥型逆变器，
存在所述永磁体型同步电机的感应电动势的线间峰值高于所述逆变器的直流电压部的电压的期间。
11.如权利要求9或10所述的交流电机系统的控制方法，其特征在于，
所述永磁体型同步电机构成为内部的永磁体不会由于该同步电机的电气端子短路而流过的电流而产生不可逆退磁。
12.一种交流电机系统的控制方法，该交流电机系统包括：交流电机；
与所述交流电机的多个电气端子相连、并与所述交流电机之间进行功率交换的功率转换器；以及
对构成所述功率转换器的半导体开关元件进行控制的控制装置，
该交流电机系统的控制方法的特征在于，
在用于从在所述功率转换器与所述交流电机之间交换功率的转换器动作期间过渡到不进行功率交换的转换器停止期间的转换器过渡期间内，
通过控制所述开关元件来防止或抑制能量从所述交流电机提供给所述功率转换器，并且在驱动所述交流电机的力学动力源的能量被消耗而使得该能量降低到安全水平之前，
过渡到所述转换器停止期间。
13.如权利要求5所述的交流电机系统的控制方法，其特征在于，
在所述转换器过渡期间内，
在检测到所述功率转换器的上下桥臂双方的开关元件变为截止状态的所述电气端子的电流暂时变为零后又重新开始了流动时，或处于电流能够再次流动的状态时，
则对该电气端子以外的其它端子进行如下操作：使下桥臂的开关元件变为截止状态，并在流过的电流为正电流时使上桥臂的开关元件变为导通状态，在流过的电流达到零附近的时刻使上桥臂的开关元件变为截止状态。
14.如权利要求5所述的交流电机系统的控制方法，其特征在于，
在所述转换器过渡期间内，
在检测到所述功率转换器的上下桥臂双方的开关元件变为截止状态的所述电气端子的电流暂时变为零后又重新开始了流动时，或处于电流能够再次流动的状态时，
则对该电气端子以外的其它端子进行如下操作：使上桥臂的开关元件变为截止状态，并在流过的电流为负电流时使下桥臂的开关元件变为导通状态，在流过的电流达到零附近的时刻使下桥臂的开关元件变为截止状态。
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