CN104113258B - 具备dc链路部异常检测功能的电动机驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的具备DC链路部异常检测功能的电动机驱动装置的特征在于，具备：变换器部(2)，其将从主电源输入的交流电压变换为直流电压；DC链路部(4)，其对从变换器部输出的直流电压进行整流；逆变器部(10)，其通过半导体开关元件将通过DC链路部整流后的直流电压变换为用于驱动电动机的交流电压；电压施加部(6)，其与主电源分开设置，向DC链路部施加电压；电压检测部(7)，其检测通过电压施加部施加了电压后的DC链路部的电压；异常判定部(8)，其根据通过电压检测部检测出的电压，判定DC链路部的异常的有无。

Description

具备DC链路部异常检测功能的电动机驱动装置
技术领域
本发明涉及一种电动机驱动装置，特别涉及具备检测DC链路部的异常的有无的电动机驱动装置。
背景技术
作为通过电动机驱动装置驱动电动机的方法，一般已知以下的方法，即通过变换器将从主电源输入的交流电压变换为直流电压，通过逆变器将其变换为交流电压后，驱动电动机。另外，通常为了对从变换器输出的直流电压进行平滑化，设置有由平滑用电容等构成的DC链路部。在此，如果在DC链路部发生了异常的状态下，从主电源向变换器提供交流电力，则有可能对逆变器产生损伤。例如，如果在DC链路部短路的状态下接通主电源，则逆变器流过大电流，因此有电动机驱动装置破损的危险性。因此，在向变换器提供来自主电源的交流电力之前，检测DC链路部的异常的有无是重要的。
以前，报告了检测DC链路部的异常的有无的电动机驱动装置(例如参照日专利公开公报JP-A-5-336759)。在图1中表示现有的电动机驱动装置的结构图。现有的电动机驱动装置具备对所输入的交流电压进行整流的变换器部1002、通过由该变换器部1002整流后的输出电压充电而对输出电压进行平滑化的平滑单元1004、限制该平滑单元1004的充电电流的大小的电流限制单元1009a和1009b、使用了对平滑单元1004的输出电压进行PWM控制而向负载供给交流电压的半导体开关电路的逆变器部1005、检测平滑单元1004的两端的电压的电压检测电路1010、根据该电压检测电路1010的输出电压比预定的电压大还是小来判定是否正常的使用了CPU的判定单元1012。在现有的电动机驱动装置中，如图1那样从主电源1001经由电阻1009a和1009b向作为DC链路部的平滑单元1004施加电压，根据该电压的上升的速度检测异常的有无。
但是，现有的电动机驱动装置从主电源1001施加大的电压，因此必须使用额定功率大的昂贵并且尺寸大的电阻。
发明内容
本发明的一个实施例的电动机驱动装置的特征在于，具备：变换器部，其将从主电源输入的交流电压变换为直流电压；DC链路部，其对从变换器部输出的直流电压进行整流；逆变器部，其通过半导体开关元件将通过DC链路部整流后的直流电压变换为用于驱动电动机的交流电压；电压施加部，其与主电源分开设置，向DC链路部施加电压；电压检测部，其检测通过电压施加部施加了电压后的DC链路部的电压；异常判定部，其根据通过电压检测部检测出的电压，判定DC链路部的异常的有无。
附图说明
通过参照以下的附图，能够更明确地理解本发明。
图1是现有的电动机驱动装置的结构图。
图2是本发明的实施例1的电动机驱动装置的结构图。
图3是构成本发明的实施例1的电动机驱动装置的异常判定部的结构图。
图4是用于说明本发明的实施例1的电动机驱动装置的动作的流程图。
图5是表示DC链路部的两端的电压的时间性变化的图表。
图6是用于说明本发明的实施例2的电动机驱动装置的动作的流程图。
图7是用于说明在本发明的实施例3的电动机驱动装置中用于检测U-V相之间的异常的有无的动作的流程图。
图8是用于说明在本发明的实施例3的电动机驱动装置中用于检测V-W相之间的异常的有无的动作的流程图。
图9是用于说明在本发明的实施例3的电动机驱动装置中用于检测W-U相之间的异常的有无的动作的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的电动机驱动装置。但是，应该注意本发明的技术思想并不限于这些实施方式，而涉及权利要求所记载的发明及其均等物。
[实施例1]
接着，说明本发明的实施例1的电动机驱动装置。在图2中表示本发明的实施例1的电动机驱动装置的结构图。本发明的实施例1的电动机驱动装置具备：变换器部2，其将从主电源1输入的交流电压变换为直流电压；DC链路部4，其对从变换器部2输出的直流电压进行整流；逆变器部10，其通过半导体开关元件将通过DC链路部4整流后的直流电压变换为用于驱动电动机的交流电压；电压施加部6，其与主电源1分开设置，向DC链路部4施加电压；电压检测部7，其检测通过电压施加部6施加了电压后的DC链路部4的电压；异常判定部8，其根据通过电压检测部7检测出的电压，判定DC链路部4的异常的有无。
主电源1是三相的交流电源，从主电源1输出的交流电压经由主电源侧开关3向变换器部2提供。在本发明中，在向变换器部2提供来自主电源1的交流电压之前，检测DC链路部4的异常的有无，因此到确认DC链路部4的异常的有无为止，主电源侧开关3维持接通的状态。在此，主电源侧开关3具备与三相交流电源的各相对应的第一开关3a、第二开关3b、第三开关3c。
变换器部2将从主电源1输入的3相的交流电压变换为直流电压。在图2中表示由6个二极管构成三相全波整流电路的情况的例子。
为了对从变换器部2输出的直流电压进行整流而设置DC链路部4。对DC链路部4例如可以使用平滑电容。
在DC链路部4的两端设置有电阻5。可以将多个电阻串联连接而构成电阻5，在本实施例中，表示出由第一电阻51～第五电阻55的5个电阻构成电阻5的例子。构成电阻5的电阻的个数并不限于5个的情况，既可以是1个，也可以是2个以上。
针对构成电阻5的电阻列的一部分电阻，设置有与主电源1分开设置而向DC链路部4施加电压的电压施加部6。在图2中表示出在第五电阻55的两端连接电压施加部6的例子，但并不限于这样的结构，也可以与构成电阻5的电阻中的任意一个电阻连接。电压施加部6具备开关61、直流电源62。开关61只在向DC链路部4施加电压的情况下为接通状态。另外，通过CPU9控制开关61的开/关。开关61可以由继电器、半导体元件等能够进行开关的元件构成。直流电源62与主电源1分开设置，在没有向变换器部2输入来自主电源1的电力的状态下能够向DC链路部4施加直流电压。
针对电阻5，设置有检测通过电压施加部6施加了电压后的DC链路部4的电压的电压检测部7。在图2中表示了将电压检测部7连接在第四电阻54和第五电阻55的两端的例子，但并不限于这样的例子，可以连接在能够检测DC链路部4的两端的电压的任意一个电阻的两端。电压检测部7具有用于对DC链路部4的电压进行数字化的A/D变换器(未图示)，能够通过数字信号处理检测电压的变化。由电压检测部7检测出的DC链路部4的电压被输出到异常判定部8。
异常判定部8根据由电压检测部7检测出的电压，判定DC链路部4的异常的有无。异常判定部8例如如图3所示，可以构成为包含高通滤波器81、绝对值电路82、比较器83。通过使用高通滤波器81，能够检测急剧的电压变化。绝对值电路82用于在急剧的电压变化的方向是正的情况和负的情况下都输出正的输出电压。比较器83将绝对值电路82的输出与预定的基准值进行比较。异常判定部8的输出被提供给CPU9。既可以由模拟电路、也可以由数字电路实现各电路。
CPU9接收作为异常判定部8的输出结果的与DC链路部4的电压和预定的基准值之间的大小关系有关的判断结果，在超过预定的基准值的情况下，输出警告信号。
逆变器部10将通过DC链路部4整流后的直流电压变换为用于通过半导体开关元件11a～11f驱动电动机13的交流电压。11a是U相的上侧开关元件，11b是U相的下侧的开关元件。另外，11c是V相的上侧开关元件，11d是V相的下侧开关元件。另外，11e是W相的上侧开关元件，11f是W相的下侧开关元件。可以对开关元件11a～11f使用晶体管。对开关元件11a～11f分别设置有逆并联连接的续流二极管12a～12f。续流二极管通过在开关元件从接通转移到关断时使通过因电动机13内的线圈的电磁感应而产生的电动势而流过的电流循环，来抑制高的电涌电压的产生，防止晶体管的破坏。
从逆变器部10输出的交流电压被提供给电动机13，驱动电动机13。
接着，说明本发明的实施例1的电动机驱动装置的动作步骤。图4是用于说明本发明的实施例1的电动机驱动装置的动作步骤的流程图。在图4中，为了检测DC链路部4的异常的有无而主电源侧开关3关断，不向变换器部2提供来自主电源1的交流电力。进而，预先将DC链路部4的两端的电压设为0V。
在本实施例中，电压检测部7检测通过电压施加部6施加了电压后的DC链路部的电压，异常判定部8根据由电压检测部7检测出的电压，判定DC链路部4的异常的有无。具体地说，电压检测部7跨越预定的时间地检测DC链路部4的电压，异常判定部8根据由电压检测部7检测出的DC链路部4的电压的时间性变化，判断DC链路部4的异常的有无。首先，在步骤S101中，电压施加部6向DC链路部4施加电压。具体地说，如上述那样，通过使电压施加部6的开关61接通，而向与DC链路部4连接的电阻5的一部分施加直流电源62的电压。
接着，在步骤S102中，电压检测部7检测通过电压施加部6施加了电压后的DC链路部4的电压。具体地说，如上述那样测定构成与DC链路部4连接的电阻5的一部分电阻的两端的电压，计算DC链路部4的电压。在此，电压检测部7跨越预定的时间地检测DC链路部4的电压。
接着，在步骤S103中，异常判定部8判断由电压检测部7检测出的电压的变化的速度(时间性变化)是否为预定值以上。在此，在图5中表示DC链路部4的电压的时间性变化的一个例子。图5是横轴为时间、纵轴为DC链路部的电压的图表。在时刻t＝0时，电压施加部6开始向DC链路部4施加电压。这时，在DC链路部4正常动作的情况下，DC链路部的电压如曲线L0所示那样随着时间而增加，在时刻t＝t0时，成为电压V0。在此，电压V0表示判定为DC链路部4正常动作的情况下的标准的值(基准值)，在DC链路部4的电压V相对于电压V0的偏离大的情况下，判断为DC链路部4没有正常动作。即，异常判定部8通过绝对值电路82计算时刻t＝t0时的电压V与基准值V0的差分的绝对值，由比较器83与预定的值进行比较，来判断DC链路部4的异常的有无。
例如，在电压检测部7检测出的DC链路部4的电压如图5的曲线L1那样变化，时刻t＝t0时的电压V1超过V0的情况下，在与V0的差分为预定值ΔV以上的情况下(V1-V0≥ΔV)，判断为有急剧的电压变化。另一方面，在电压检测部7检测出的DC链路部4的电压如图5的曲线L2那样变化，时刻t＝t0时的电压V2小于V0的情况下，在与V0的差分为预定值ΔV以上的情况下(V0-V2≥ΔV)，判断为有急剧的电压变化。这样，在产生了急剧的电压变化的情况下，在步骤S104中，判断为DC链路部4发生了异常。在该情况下，在步骤S105中CPU9输出警告。
另一方面，在电压检测部7检测出的DC链路部4的电压是时刻t＝t0时的电压V和基准值V0的差分的绝对值不满预定值的情况下，判断为DC链路部4没有发生异常，在步骤S106中向DC链路部4接通主电源。
在以上的说明中，表示了通过将预定时刻的DC链路部4的电压与基准值进行比较来检测DC链路部的异常的有无的例子(第一异常检测方法)，但并不限于此。异常判定部8也可以根据DC链路部4的电压的时间性变化率来判断DC链路部4的异常的有无。作为时间性变化率的测定方法，可以列举以下的方法，即计算预定的时刻的电压的时间微分值(dV/dt)的方法(第二异常检测方法)、根据DC链路部4的电压达到预定的电压为止的积算时间来计算的方法(第三异常检测方法)。另外，也可以组合这些多个异常检测方法来判断DC链路部4的异常的有无。例如，在组合上述的第一～第三异常检测方法的3种异常检测方法来检测DC链路部的异常的情况下，在通过任意一个异常检测方法都满足表示DC链路部4的异常的基准的情况下，可以判断为DC链路部4发生了异常。由此，能够迅速地检测DC连接电压的异常。
进而，异常判定部8也可以根据DC链路部4的电压的变化量来判断DC链路部4的异常的有无。例如，也可以在DC链路部4的电压随着时间增加，在从时刻t＝0到t＝t0的期间检测DC链路部4的电压的情况下，在时刻t0以前DC链路部4的电压也从预定的基准值V0很大偏离的情况下，在该时刻判断为DC链路部4发生了异常。由此，能够迅速地检测DC连接电压的异常。
[实施例2]
接着，说明本发明的实施例2的电动机驱动装置。实施例2的电动机驱动装置的结构与图2所示的实施例1的电动机驱动装置的结构相同，因此省略详细的说明。如上述那样，在DC链路部没有异常的情况下，在逆变器部有可能产生异常的情况下，在向电动机驱动装置接通主电源之前确认逆变器部没有异常是重要的。实施例2的电动机驱动装置在向DC链路部接通主电源之前使半导体开关元件动作而检测DC链路部的电压的变化，由此自动地检测逆变器部的异常，其特征在于：根据顺序地使U、V、W各相的上侧开关元件和下侧开关元件接通的情况下的DC链路部的电压的变化，检测构成逆变器部的开关元件的异常的有无。
接着，说明本发明的实施例2的电动机驱动装置的动作步骤。图6是用于说明本发明的实施例2的电动机驱动装置的动作步骤的流程图。首先，在步骤S201中，与接通电压施加部6的开关61同时地，根据来自CPU9的控制信号，只使U相的上侧开关元件11a接通。在此，其他的开关元件11b～11f关断。此外，在本实施例中，已经确认了DC链路部4没有异常。
接着，在步骤S202中，电压检测部7跨越预定的时间地检测DC链路部4的电压。接着，在步骤S203中，异常判定部8判断DC链路部4的电压变化的速度是否为预定值以上。电压变化的速度的判断方法与实施例1相同，因此省略详细的说明。
在DC链路部4的电压变化的速度为预定值以上的情况下，在步骤S204中，判断为U相的下侧开关元件11b发生了异常。在该情况下，在步骤S205中，CPU9输出警告信号。
另一方面，在DC链路部4的电压变化的速度不满预定值的情况下，在步骤S206中，根据来自CPU9的控制信号，只使U相的下侧开关元件11b接通。
接着，在步骤S207中，电压检测部7跨越预定的时间地检测DC链路部4的电压。接着，在步骤S208中，异常判定部8判断DC链路部4的电压变化的速度是否为预定值以上。电压变化的速度的判断方法与实施例1相同，因此省略详细的说明。
在DC链路部4的电压变化的速度为预定值以上的情况下，在步骤S209中，判断为U相的上侧开关元件11a发生了异常。在该情况下，在步骤S210中，CPU9输出警告信号。另一方面，在DC链路部4的电压变化的速度不满预定值的情况下，在步骤S211中，向DC链路部接通主电源。其中，假设V相、W相的开关元件没有发生异常。
在以上的说明中，说明了U相的上侧开关元件和下侧开关元件的异常的有无的检测方法，但也可以通过同样的方法检测V相和W相的开关元件的异常的有无。通过在向电动机驱动装置接通主电源之前，检测U相、V相、W相的开关元件的异常的有无，在构成逆变器的开关元件发生了异常的情况下，也能够防止引起因接通电源造成的电动机驱动装置和电源设备等的破损。
[实施例3]
接着，说明本发明的实施例3的电动机驱动装置。实施例3的电动机驱动装置的结构与图2所示的实施例1的电动机驱动装置的结构相同，因此省略详细的说明。如上述那样，在DC链路部没有异常的情况下，在逆变器部有可能发生异常的情况下，在向电动机驱动装置接通主电源之前确认逆变器部没有异常是重要的。实施例3的电动机驱动装置在向DC链路部施加主电源之前使半导体开关元件动作而检测DC链路部的电压的变化，由此自动地检测逆变器部的异常，其特征在于：根据使U、V、W相中的2个相的上侧开关元件和下侧开关元件同时接通的情况下的DC链路部的电压的变化，检测构成逆变器部的开关元件的相之间短路等异常的有无。
接着，说明本发明的实施例3的电动机驱动装置的动作步骤。图7～图9是用于说明本发明的实施例3的电动机驱动装置的动作步骤的流程图，图7是表示用于检测U-V相之间的异常的有无的电动机驱动装置的动作步骤的流程图。首先，在步骤S301中，与接通电压施加部6的开关61同时地，根据来自CPU9的控制信号，使U相的上侧开关元件11a和V相的下侧开关元件11d接通。在此，其他开关元件11b、11c、11e、11f关断。此外，在本实施例中，假设已经确认了DC链路部4没有异常。
接着，在步骤S302中，电压检测部7跨越预定的时间地检测DC链路部4的电压。接着，在步骤S303中，异常判定部8判断DC链路部4的电压变化的速度是否为预定值以上。电压变化的速度的判断方法与实施例1相同，因此省略详细的说明。
在DC链路部4的电压变化的速度为预定值以上的情况下，在步骤S304中，判断为U-V相之间发生了异常。在该情况下，在步骤S305中，CPU9输出警告信号。
另一方面，在DC链路部4的电压变化的速度不满预定值的情况下，执行其他相之间的异常的有无的检测。图8是表示用于检测V-W相之间的异常的有无的电动机驱动装置的动作步骤的流程图。首先，在步骤S401中，与接通电压施加部6的开关61同时地，根据来自CPU9的控制信号，使V相的上侧开关元件11c和W相的下侧开关元件11f接通。在此，其他开关元件11a、11b、11d、11e关断。
接着，在步骤S402中，电压检测部7跨越预定的时间地检测DC链路部4的电压。接着，在步骤S403中，异常判定部8判断DC链路部4的电压变化的速度是否为预定值以上。电压变化的速度的判断方法与实施例1相同，因此省略详细的说明。
在DC链路部4的电压变化的速度为预定值以上的情况下，在步骤S404中，判断为V-W相之间发生了异常。在该情况下，在步骤S405中，CPU9输出警告信号。
另一方面，在DC链路部4的电压变化的速度不满预定值的情况下，执行其他相之间的异常的有无的检测。图9是表示用于检测W-U相之间的异常的有无的电动机驱动装置的动作步骤的流程图。首先，在步骤S501中，与接通电压施加部6的开关61同时地，根据来自CPU9的控制信号，使W相的上侧开关元件11e和U相的下侧开关元件11b接通。在此，其他开关元件11a、11c、11d、11f关断。
接着，在步骤S502中，电压检测部7跨越预定的时间地检测DC链路部4的电压。接着，在步骤S503中，异常判定部8判断DC链路部4的电压变化的速度是否为预定值以上。电压变化的速度的判断方法与实施例1相同，因此省略详细的说明。
在DC链路部4的电压变化的速度为预定值以上的情况下，在步骤S504中，判断为W-U相之间发生了异常。在该情况下，在步骤S505中，CPU9输出警告信号。
在DC链路部4的电压变化的速度不满预定值的情况下，确认了U-V相之间、V-W相之间、以及W-U相之间没有异常，因此向DC链路部4接通主电源。
如以上那样，在向电动机驱动装置接通主电源之前，检测U-V相之间、V-W相之间、以及W-U相之间的异常的有无，由此在逆变器部10的各相之间发生了异常的情况下，也能够防止引起因接通电源造成的电动机驱动装置和电源设备等的破损。
也可以在向电动机驱动装置接通主电源之前，通过CPU9的控制来自动地执行以上说明的DC链路部、以及逆变器部的异常的有无的检测。
根据本发明，不使用昂贵的电阻，不向DC链路部接通主电源，就能够确认DC连接没有异常，因此能够安全地向电动机驱动装置接通主电源。另外，除了DC连接没有异常以外，还能够确认开关元件没有异常、没有相之间短路等异常，因此能够进一步提高安全性地向电动机驱动装置接通主电源。由此，在DC链路部或构成逆变器的开关元件发生了异常的情况下，也能够防止引起因接通电源造成的电动机驱动装置和电源设备等的破损。

Claims (4)

1.一种电动机驱动装置，其特征在于，具备：
变换器部，其将从主电源输入的交流电压变换为直流电压；
DC链路部，其对从上述变换器部输出的直流电压进行整流；
逆变器部，其通过半导体开关元件将通过上述DC链路部进行整流后的直流电压变换为用于驱动电动机的交流电压；
电压施加部，其与主电源分开设置，向上述DC链路部施加电压；
电压检测部，其检测通过上述电压施加部施加了电压后的上述DC链路部的电压；
异常判定部，其将上述电压检测部检测出的电压与基准值的差分的绝对值与预定的值进行比较，来判定上述DC链路部有无异常。
2.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于，
上述异常判定部具有用于将上述DC链路部的电压与预定的基准值进行比较的比较器。
3.根据权利要求1或2所述的电动机驱动装置，其特征在于，
上述电压检测部具有用于对上述DC链路部的电压进行数字化的A/D变换器，通过数字信号处理来检测电压的变化。
4.根据权利要求1或2所述的电动机驱动装置，其特征在于，
通过在向上述DC链路部施加主电源之前使上述半导体开关元件动作而检测上述DC链路部的电压的变化，从而自动地检测上述逆变器部的异常。
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