CN106031024B

CN106031024B - 电动机电力转换装置

Info

Publication number: CN106031024B
Application number: CN201480075150.7A
Authority: CN
Inventors: 小林澄男; 高瀬真人
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2014-02-10
Filing date: 2014-02-10
Publication date: 2018-07-03
Anticipated expiration: 2034-02-10
Also published as: EP3107204B1; EP3107204A4; CN106031024A; WO2015118678A1; TWI578689B; EP3107204A1; JP6298835B2; JPWO2015118678A1; TW201541852A

Abstract

电动机的损耗之一是铁损，铁损在电动机的高速区间中急剧增大，用基于电动机的电流检测的以电流平方时间积一定的方式工作的过载检测用电子热继电器不能够保护电动机。本发明的电动机电力转换装置不在电动机的绕组中安装温度检测器而正确检测铜损、铁损、机械损耗、杂散负载损耗等总损耗，进行电动机的过载检测保护。用将在铜损之外还包括铁损和难以定量预测的杂散负载损耗、机械损耗的总损耗作为从电动机输入功率减去输出功率得到的总损耗来计算，在包括电动机动力运转、再生运转的4象限运转中始终计算并检测，由以总损耗时间积一定的方式工作的过载保护用电子热继电器实现。

Description

电动机电力转换装置

技术领域

本发明涉及电动机电力转换装置，涉及检测电动机的损耗并进行过载保护的电动机电力转换装置。

背景技术

一般在工业领域中，在各种生产工厂等，在风扇、空调设备、泵、食品加工机械、包装机械、搬运机械等中，为了动力源的速度控制用途，使用通过逆变器驱动的通用感应电动机(感应型电动机)、永磁体式无刷DC电动机，另外，在半导体、液晶制造装置、电子部件制造组装机械、工业用机器人、金属加工机械、锻造机械、其他生产现场以外的娱乐设备、医疗设备、电子自动收费系统、电梯、交通工具模拟装置等，利用优良的伺服控制，为了速度、转矩控制、位置控制用途，对于加速、定速运转和减速、定位停止等使用永磁体式AC伺服电动机或矢量控制逆变器驱动专用的感应型电动机。

在锻造机械中用冲压机进行从板材冲剪出汽车的车体等、进行拉延加工，使用低速高转矩特性优良的AC伺服电动机作为驱动电动机。在使用AC伺服电动机的冲压机的一例中，能够多次反复滑块的急加速、减速的上下运动，在拉延中从滑块的高速动作起在材料前使加工速度急减速至低速而进行拉延加工，从而防止模具的温度上升引起的烧熔，提高成形品内加工外径的尺寸精度，能够在加压中使滑块暂时停止、使油压装置工作等，能够容易地进行用现有的冲压机难以进行的成形。

AC伺服电动机为了应对这些要求性能，而在转子中使用高性能永磁体的稀土(例如钕(Nd))，并且设置在运转中电动机内成为高温的环境中。因此，为了进一步提高永磁体的耐热性，而部分使用镝(Dy)作为添加剂，应对低惯性矩引起的高响应化。而且，将伺服冲压机用AC伺服电动机的最大效率专用设计在最频繁使用的低速高转矩区间。

但是，在伺服冲压机中，存在转速高速化的要求，要求在无负载运转时在高速区间蓄积旋转能量，在下一个动作中利用该能量进行钢材的冲孔加工等。

AC伺服电动机中，满足使最大效率区间为低速高转矩和新的高转速区间双方的设计是困难的，根据冲压机的规格判断是与以往同样将重点置于在低速高转矩区间中为最大效率的设计、还是采用在两个区间中平衡的平均设计。

在上述状况下，在转子中使用了高性能永磁体的AC伺服电动机中，已知在高速区间中负载转矩在额定转矩以下时发生电动机的温度大幅上升的现象，影响电动机的铁损。铁损是铁芯中产生的损耗，因通过铁芯的磁通变化而产生。为了减小该铁损，将较薄的硅钢板叠层来制造电动机的铁芯。另外，铁损不能够用使用电动机电流的电子热继电器进行过载保护。永磁体性能越高，该铁损的影响越显著，在现有的AC伺服电动机中使用的一般的永磁体中没有成为问题。

关于该铁损，在感应型电动机中也存在对电动机施加的电压升高，在过励磁状态的情况下，虽然电动机电流在额定电流以下但是烧毁的情况。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2008-172949号公报

专利文献2：日本特开平10-174276号公报

专利文献3：日本特开2008-220002号公报

非专利文献

非专利文献1：“日立评论第83卷3号特集2最近的工业用电动机驱动设备及其应用”日立评论社2001年3月发行

发明内容

发明要解决的课题

在用电动机驱动电力转换装置实现的电动机驱动系统中，因为由电动机的转子的低惯性化引起的高响应化的要求，而在永磁体型电动机(称为PM电动机)中采用了高性能磁体。另一方面，因为电动机的转速高速化的要求，在高速区间中在额定电流以下也存在电动机的铁损导致的温度上升，需要用电动机绕组中内置的温度检测器进行电动机保护，存在温度检测器的成本提高的问题。另外，采用了为了检测电动机的过载而检测电动机的电流，通过按电流平方时间积一定工作的电子热继电器保护检测，使电动机停止运转而防止烧毁的方法，但铁损不能够通过检测电动机电流保护。关于该铁损，在感应型电动机中也存在对电动机施加的电压升高，成为过励磁状态时，虽然电动机电流在额定电流以下但是烧毁的情况。

对于电动机的损耗的种类，在非专利文献1所示的第45页的表2中，示出了电动机的损耗降低对策，在表内的损耗栏中，示出了机械损耗、铁损、一次铜损、二次铜损、杂散负载损耗这5种。其中，二次铜损是电动机为感应型的情况，转子是永磁体的AC伺服电动机、DCBL的情况除外。另外，在第45页的图3中，用图示出了电动机的损耗与负载率的关系，记载了铁损、机械损耗不受负载率变动影响。

在专利文献1中，示出了为了考虑电动机是感应电动机且在过励磁状态下运转的情况下增加的铁损而可靠地对电动机进行过热保护，因为不能够用进行通常的过载保护的电子热继电器进行保护，所以运算作为电动机基准的额定电压/额定频率与用频率电压运算部修正后的输出电压指令/频率指令的比作为磁通比，在判断电动机过励磁时，与过励磁状态相应地修正电动机的检测电流值，进行过热保护的方法。关于该方法中以什么程度修正检测电流值，必须得知电动机的总损耗和铁损引起的损耗量，但专利文献1中仅记载了铜损和铁损，却没有记载总损耗。另外，得知电动机的各损耗种类的损耗量，需要电动机的磁场分析模拟，但如果电力整流器(逆变器)是电压/频率控制的，则电动机不限于本公司生产的，也要考虑其他公司生产的，不能够获取磁场分析模拟数据的情况较多。

专利文献2中，在感应电动机中作为电动机的保护装置，在定子绕组附近设置温度检测器，防止定子绕组烧毁，但设置温度检测器存在成本提高的问题。

专利文献3中，认为以往仅按铜损进行电动机的过载保护，在过载检测中没有考虑包括机械损耗和铁损的旋转损耗，而在铜损与旋转损耗两者的预测值的合计值超过规定值时视为检测出过载，但并未讨论每种损耗的值。另外，求出电动机的电流检测值和电动机的转速检测值各自的平均值，除以额定电流、额定转速，用各比率的和的合计值进行了讨论，所以没有提及电动机个体差异的损耗种类和各自的量。

对铁损、机械损耗、杂散负载损耗的影响引起的电动机温度上升的保护，是不能够用使用电动机电流的电子热继电器的监视进行过载保护的、代替电动机电流检测的正确的过载保护方法。

另外，将电动机损耗的种类分类为无负载损耗和负载损耗时，无负载损耗中存在铁损、机械损耗，铁损进一步分类为磁滞损耗和涡流损耗。另外，负载损耗中存在铜损和杂散负载损耗，铜损有一次铜损和感应电动机中的二次铜损。关于杂散负载损耗，一般将总损耗减去铜损、铁损、机械损耗后的剩余部分视为杂散负载损耗，难以定量地预测。

关于铁损的磁滞损耗和涡流损耗，以往已知有Steinmetz经验公式，磁滞损耗Ph是下述(式1)的关系，过电流损耗Pe是下述(式2)的关系。

[式1]

(式1)Ph＝Kh×f×Bm^1.6

其中，

Kh：比例常数，f：频率，Bm：最大磁通密度

[式2]

(式2)Pe＝Ke×(t×f×Bm)²/ρ

其中，

Ke：比例常数，t：铁板厚度，f：频率，Bm：最大磁通密度，ρ：磁性体的电阻率

磁滞损耗与频率(电动机转速)成比例，涡流损耗与频率(电动机转速)的平方成比例，所以特别在高速时增大。因为形成磁路，所以可以根据转子的铁芯的材质、板厚、铁芯的截面孔形状用磁场分析模拟求出铁损。

重要的在于正确地检测将各种损耗合计得到的总损耗量，基于它保护电动机以防止线圈烧毁等。

用于解决课题的技术方案

为了解决上述课题，例如应用权利要求书中记载的结构。即，一种具备电动机的过载保护用电子热继电器功能的电动机电力转换装置，包括总损耗时间累加计数器，其以电动机的总损耗时间积一定的方式工作，输出对电动机的绕组温度进行模拟得到的累加值，在所述累加值达到了规定阈值时，输出使电动机停止运转的信号。

进而，在这样的电动机电力转换装置中，总损耗时间累加计数器以包括所述电动机电力转换装置的逆变器的损耗的电动机的总损耗时间积一定的方式工作。

进而，无论交流电动机、直流电动机还是永磁体式电动机、感应型电动机，电动机都起到将电能转换为做功的能量的作用。但是，对电动机输入的输入功率Pin中，并非所有功率都起到做功的能量的作用，一部分在电动机内部被无用地消耗而产生热、声音。有助于做功的功率是输出功率Pout，对与电动机连接的负载施加转矩T和转速Nf。输入和输出用单位W(瓦特)表达。输入Pin、输出Pout、损耗Ploss和效率η的关系式用下述(式3)(式4)表达。

[式3]

(式3)η＝Pout/Pin×100(％)

[式4]

(式4)P_LOSS＝Pin-Pout(W)

电动机的损耗大多作为热通过安装夹具等金属的固体传导，从电动机表面的冷却肋片向大气中自然或强制对流、辐射，一部分作为声音向周围发散。电动机的温度上升中，作为铜损以(绕组中流过的电流的平方)×(绕组电阻)发热，铁损是定子侧的铁芯和嵌入磁体的嵌入结构的转子侧铁芯因铁芯中产生的磁通的变化而发热。定子侧的铁芯上存在电动机绕组，铁芯因铁损而发热时绕组的温度也通过铁芯而上升。另外，机械损耗中，轴承的摩擦损耗、风扇的通风阻抗也向使电动机绕组温度上升的方向作用。杂散负载损耗是此处叙述的以外的转子与定子之间的磁隙中的磁通密度减少等。

其中，用户机械中将电动机和电动机驱动电力转换装置一同安装在机械内，因电动机的温度上升而使同一室内的电动机驱动电力转换装置的温度也上升，相互使室温上升的情况下，能够将总损耗视为电动机与电动机驱动电力转换装置(逆变器)的合计进行保护。

这样，将包括不能够用由电流检测决定的电流平方时间积检测出的铁损、难以定量预测的杂散负载损耗和机械损耗的总损耗视为(式4)所示的输入功率Pin(W)减去输出功率Pout(W)得到的总损耗P_LOSS(W)，在电动机动力运转时的低速稳定状态和加速、减速时，进而在能量从输出流向输入侧的再生运转时，都始终通过用(式4)运算而检测、实现。根据检测出的损耗，基于过载保护特性曲线，按总损耗(W)与时间(s)的积(J：焦耳)增加或减少，达到预先设定的阈值时，判断为过载，使电动机停止运转来进行保护。

其中，焦耳是能量的单位，以前用1焦耳＝0.24卡路里转换的热量，此处按焦耳处理。

发明效果

根据本发明的一个方面，能够正确地检测将各种损耗合计得到的总损耗量，基于它保护电动机防止线圈烧毁等。

本发明的其他课题和效果将通过以下记载说明。

附图说明

图1A是说明应用了本发明的一个实施方式的电动机驱动电力转换装置的电动机的损耗的图。

图1B是说明本实施方式中的带有电源再生功能的电动机驱动电力转换系统的再生时的电动机的损耗的图。

图2是说明电动机驱动电力转换系统的电动机和逆变器的损耗的图。

图3A是说明基于图1A的永磁体型有传感器AC伺服电动机驱动电力转换系统的过载保护的图。

图3B是说明基于图2的永磁体型有传感器AC伺服电动机驱动电力转换系统的过载保护的图。

图4A是说明基于图1A的感应型有传感器矢量控制电动机驱动电力转换系统的过载保护的图。

图4B是说明基于图2的感应型有传感器矢量控制电动机驱动电力转换系统的过载保护的图。

图5A是说明基于图1A的永磁体型无传感器DCBL电动机驱动电力转换系统的过载保护的图。

图5B是说明基于图2的永磁体型无传感器DCBL电动机驱动电力转换系统的过载保护的图。

图6A是说明基于图1A的感应型无传感器矢量控制电动机驱动电力转换系统的过载保护的图。

图6B是说明基于图2的感应型无传感器矢量控制电动机驱动电力转换系统的过载保护的图。

图7A是说明基于图1A的感应型VF逆变器控制通用电动机驱动电力转换系统的过载保护的图。

图7B是说明基于图2的感应型VF逆变器控制通用电动机驱动电力转换系统的过载保护的图。

图8是说明本实施方式中的正反转加减速运转时的速度、转矩、输出功率的时序图。

图9是对于本实施方式中的转速-转矩特性在四象限区域中说明输出功率的符号的极性的图。

图10是说明本实施方式的永磁体型同步电动机的一相的等价电路的图。

图11是说明本实施方式的永磁体型同步电动机的动力运转时的矢量图的图。

图12是说明本实施方式的永磁体型同步电动机的再生时的矢量图的图。

图13是说明本实施方式的VF控制逆变器的最大转矩的图。

图14是在本实施方式的动力运转时的电动机的转速-转矩特性中说明输入功率、损耗、输出功率的图。

图15是在本实施方式的再生时的电动机转速-转矩特性中说明输入功率、损耗、输出功率的图。

图16是说明本实施方式的增加、减少时的电子热继电器工作时间的图。

图17是说明本实施方式的施加最大总损耗时的权值的图。

图18是说明本实施方式的电子热继电器的总损耗时间积时的权值的图。

图19是说明与本实施方式的图14不同的过载保护特性曲线b)的图。

图20是说明本实施方式的电动机的耐热等级和施加过载时、绕组温度从电动机使用温度范围的上限值上升至耐热限度值的动作的图。

图21是本实施方式的置换了图3a～图7b的电子热继电器电路的图18的过载保护特性曲线b)的电子热继电器电路的局部图。

图22是说明本实施方式的电动机绕组温度的动作的图。

图23是说明本实施方式的在电动机驱动电力转换装置中预设电动机绕组温度之后的运转的图。

图24是说明本实施方式的图3A～图7B的电子热继电器电路的其他方式的图。

图25是本实施方式的用温度传感器检测电动机的周围温度的图。

具体实施方式

以下参考附图详细说明本发明的实施方式。

在图1A中示出说明电动机驱动电力转换系统中的电动机1a的损耗的图。1a是交流电动机。用整流器2a对从交流电源供给的电源进行整流，用平滑电动机3进行平滑转换为直流。接着，用逆变器4从直流电源再次转换为交流，控制电动机1a的转矩、转速同时驱动电动机1a。其中，逆变器4由开关元件5和续流二极管6构成。电动机1a的输出功率Pout成为转速Nf、转矩T，它们在电动机输出轴作为动力对负载施加而驱动该机械。电动机输出功率Pout的单位用瓦特(W)表示。另一方面，输入功率Pin由电动机驱动装置按各相电压V、电流I、和相电压V与电流I的相位差即功率因数cosφ施加，是三相电力，单位用瓦特(W)表示。输入功率与输出功率的差是总损耗，包括铜损、铁损、杂散负载损耗、机械损耗等。包括这些的总损耗变为电动机的发热和声音而向周边释放。其中，图中的箭头的宽度表示功率的大小程度，在稳定状态下电动机1a获得输入功率Pin，输出电动机输出功率Pout，所以输入功率Pin较大，电动机输出功率Pout较小，减小的部分是损耗Ploss。

图1B表示电动机进行四象限运转的电梯用电动机1b的情况。电梯用电动机在垂直方向上进行升降动作，下降时进行抑制轿厢向重力方向落下同时电动机转矩向上升方向输出，同时速度向下降方向平滑地运动的再生动作。再生动作中，轿厢因重力而落下，从而电动机旋转轴因外部而旋转，所以成为一种发电机模式，发电(再生)的能量从电梯用电动机1b返回逆变器4，用发电(再生)能量对平滑电容器3充电。2b是带有电源再生功能的整流器，结构与4的逆变器相同，使平滑电容器3中蓄积的发电(再生)能量通过49的交流电抗器对电源再生。此时，输入功率Pin与电动机输出功率Pout的关系中，能量的流动是从负载(机械)侧通过电动机1b，经过逆变器4、平滑电容器3、带有电源再生功能的整流器2b、交流电抗器49对电源再生。此时，图中的箭头方向与图1b相反，箭头宽度是电动机输出功率Pout最大、输入功率Pin较小。

其中，此时，损耗Ploss的箭头方向是与图1a相同的方向，是损耗方向，箭头方向不可能成为相反(产生能量)方向。

图2中，电动机和电动机驱动电力转换装置的结构与图1a相同，但不是将输入功率Pin视为电动机的输入端子部，而是视为电动机驱动装置的逆变器4的输入部，采用整流器2a的输出点的中间电位即平滑电容器3的部分。这表示了在用户机械中，将电动机和电动机驱动电力转换装置一同安装在机械内，因电动机的温度上升而使同一室内的电动机驱动电力转换装置的温度也上升，相互使室温上升，所以将总损耗视为电动机与电动机驱动电力转换装置的合计进行应对的情况。

图3A是说明永磁体型有编码器(传感器)AC伺服电动机驱动电力转换系统的过载保护框图的图。图3A中，检测输入功率Pin的点采用图1a所示的逆变器4的输出(电动机的输入端子部)。2a是整流器，对交流电源进行全波整流转换为直流，用3的平滑电容器进行平滑成为平滑的直流。该直流电源与逆变器4连接，由5的开关元件和反向并联连接的6的续流二极管构成。逆变器4的输出通过动力线中设置的9和10的U相、W相电流检测器CTu、CTw与电动机1a连接。1a表示电动机整体。电动机1a是AC伺服电动机，是永磁体型同步电动机7a，由永磁体型同步电动机7a和与电动机轴机械连接、检测上述电动机7a的位置、转速、检测上述电动机7a的转子的磁极位置的编码器8构成。

编码器8的输出对控制逻辑电路29的位置/速度磁极位置运算器17a输出。位置/速度磁极位置运算器17a中输出永磁体型同步电动机7a的转速Nf，速度误差放大器25中输出与速度指令N的差ε(＝N-Nf)，用速度控制器(ASR)11放大。放大后的信号Iq成为转矩电流指令，对q轴电流误差放大器27输出。另一方面，永磁体型同步电动机7a的电流用U相电流检测器CTu 9和W相电流检测器CTw 10检测，成为电流反馈Iuf、Iwf信号对控制逻辑电路29的三相/二相转换器16输出。

三相/二相转换器16中，输入Iuf、Iwf信号，由三相信号转换为用d、q轴正交表达的二相信号。此时，由位置/速度磁极位置运算器17a，以电动机7a的转子的磁极位置信号θr为基准，转换为d、q轴的二相信号。对于三相/二相转换器16的一方的转矩反馈电流Iqf，用q轴电流误差放大器27求与转矩电流指令信号Iq的差(Iq-Iqf)，用q轴电流控制器(ACR)13放大，输出q轴的电动机电压指令Vq。另外，d轴电流指令Id为零的情况下，用转子的永磁体的磁通控制。d轴电流指令Id中流过一定值的电流时进行弱磁控制、或通过改变电流相位进行功率因数和效率的控制等。对于d轴电流指令Id，用d轴电流误差放大器26输出与d轴电流反馈Idf的差(Id-Idf)，用d轴电流控制器(ACR)12放大，成为d轴电动机电压指令Vd。

对于Vd、Vq信号，用二相/三相转换器14从d轴q轴正交的二相信号转换为三相信号Vu、Vv、Vw。其中，此处也由位置/速度磁极位置运算器17a以转子的磁极位置信号θr为基准进行转换。该三相信号Vu、Vv、Vw用PWM电路15以PWM(Pulse Width Modulation：脉冲宽度调制)信号的形式作为逆变器4的开关元件5的栅极信号施加，从而控制永磁体型同步电动机(SM)7a。

接着说明总损耗运算/累加电路23。控制逻辑电路29内的速度控制器(ASR)11、d轴和q轴电流控制器(ACR)12、13、二相/三相转换器14、三相/二相转换器16、位置/速度磁极位置运算器17a和误差放大器25～27用CPU或DSP与软件的协作实现。总损耗运算/累加电路23内的各框图也同样用运算装置与软件的协作实现。对于电动机电流反馈Iuf、Iwf信号，用转矩运算器18运算电动机的转矩T。d轴电流指令Id为零的情况下，电动机转矩T与Iqf成比例。对d轴电流指令Id给出电流的情况下的转矩，用电动机常数和Idf、Iqf的运算计算。19是输出功率Pout运算器，从位置/速度磁极位置运算器17a的输出导入转速Nf，从转矩运算器18导入转矩T，运算求出电动机输出功率Pout＝2πNf·T/60。另外，图8用图示出了电动机输出功率Pout。图8是说明永磁体型电动机的加减速运转时的速度、转矩、输出功率的时序图。图中示出了正转时和反转时的加速、定速(都是动力运转)和减速(再生运转)，加减速时的转矩是在摩擦引起的负载转矩T1上，在正转时加速转矩向正方向、减速转矩向负方向增加。反转时，摩擦引起的负载转矩成为负，加速转矩向负方向增加，减速转矩向正方向增加。输出功率Pout是转速Nf与转矩T的带有正负极性的积，如图8的输出功率Pout(W)所示。

图9是对于转速-转矩特性在四象限区域中说明输出功率的符号的极性的图。第一象限中，转速为(+)，转矩也为(+)，相乘得到的输出功率Pamax为(+)，是动力运转。与第一象限相反，转速、转矩都为(-)得到的是第三象限，相乘得到的输出功率是(-)之间的积为(+)，是动力运转。第一象限中仅使转矩的极性反转(-)得到的是第四象限，输出功率为(-)，是再生运转。第二象限是使第三象限的转矩反转(+)，输出功率为(-)，是再生运转。即转速和转矩的极性为相同方向地运转的情况是动力运转，从电源得到的电能对机械侧作为动力施加。另外，转速和转矩的极性为相反方向地运转的情况是再生运转，机械侧的动能对电源再生。

返回图3A进行说明。20是电流运算器，按下述(式5)运算电动机的有效电流I。

[式5]

(式5)I＝[(Idf)²+(Iqf)²]^1/2

运算得到的有效电流I对电动机输入功率运算器21输出。电动机输入功率运算器21中，电动机相电压(有效值)V由二相/三相转换器14输入。二相/三相转换器14中运算三相相电压Vu、Vv、Vw并对PWM电路15输出，所以得到其有效值V。

其中，电动机输入功率运算器21中需要I·cosφ。用图10～12说明电动机输入相电压、电流的功率因数cosφ。

图10是说明永磁体型同步电动机1相的等价电路的图。永磁体型同步电动机旋转时成为发电机，所以发生感应电压E0。设电动机中流过的电流为Iqf流过电流时，电动机绕组的电阻Ra中发生Ra·Iqf的电压降，另外，电感La中发生jω·La·Iqf的电抗压降。图11和图12在矢量图中表示了该情况。图11是永磁体型同步电动机的动力运转时的矢量图，图12是永磁体型同步电动机的再生时的矢量图。电动机输入的相电压、电流的相位角φ在图11、图12中表示，动力运转时0<φ<90°，cosφ是正值。再生时φ是90°<φ<180°，cosφ是负值。

此处再次返回图3A进行说明。该相位角φ作为功率因数cosφ在电动机输入功率运算器21中运算。三相输入功率Pin用单相的V·I·cosφ的3倍求出，在电动机输入功率运算器21中运算。对于用输出功率Pout运算器19、电动机输入功率运算器21计算出的Pout、Pin，用减法电路28运算Pin-Pout，计算出电动机的总损耗Ploss。总损耗Ploss对电子热继电器电路22发送，按每个电子热继电器运算周期即采样时间ts将总损耗Ploss换算为权值，每次采样时对于电子计数器在超过额定损耗的情况下做加法运算，在不足额定损耗的情况下做减法运算，是额定损耗时加上权值零。在电动机运转中始终反复增加、减少总损耗，达到某一阈值的情况下，判断电动机过载而对保护处理电路24输出OL信号，为了过载保护而使电动机停止。

图3B是说明基于图2的永磁体型有编码器(传感器)AC伺服电动机驱动电力转换系统的过载保护框图的图。图3B中，使检测输入功率Pin的点不是电动机的输入端子部，而是电动机驱动装置的逆变器4的输入部，该点与整流器2a的输出相同，是平滑电容器3的两端即作为中间电位的点。与图3A不同的部分，在于检测整流器2a的输出电流Idc的直流侧电流检测器32，和用分压电阻检测平滑电容器3的两端电压(P-N间电压)，使该分压电压通过绝缘放大器对DC输入功率运算器34输入Idc和Vpn，求该信号的积，导出输出Pin的部分。其中，直流侧电流检测器32在整流器2的负侧(N侧)进行了检测，但直流侧电流检测器32也可以在整流器2的正侧(P侧)进行检测。另外，在平滑电容器3与整流器2之间进行了检测，但也可以在平滑电容器3与逆变器4一侧之间(N侧)进行检测。进而，也可以在平滑电容器3与逆变器4一侧之间(P侧)进行检测。该情况下，使极性与电流方向相同的方向一致即可。其他与图3A相同，所以仅说明变更的部分。

在整流器2a与逆变器4的中间存在平滑电容器3，对其两端电压Vpn用P侧分压电阻器30和N侧分压电阻器31分压，在分压点用绝缘放大器33使主电路侧与控制逻辑电路29一侧电绝缘。绝缘放大器33的输出作为Vpn对DC输入功率运算器34发送。另一方面，直流侧电流检测器32检测主电路的Idc，输出从CT的二次侧绝缘的电流信号Idc，对输入功率运算器34发送。输入功率运算器34中运算Vpn·Idc的积，对于输入功率Pin用减法电路28检测Ploss＝Pin-Pout。该情况下，总损耗Ploss在电动机的总损耗(铜损、铁损、杂散负载损耗、机械损耗等)中包括逆变器4的损耗(开关元件5和续流二极管6的功率半导体元件的损耗)。

图4A是说明基于图1A的感应型有编码器(传感器)矢量控制电动机驱动电力转换系统的过载保护框图的图。电动机7b是感应型矢量控制电动机，编码器8的输出对位置/速度运算器17b输出。其中，感应型矢量控制电动机中没有使用永磁体，所以位置/速度运算器17b中不是运算磁极位置检测信号，而是运算位置/速度。位置/速度运算器17b中输出感应型矢量控制电动机7b的转速Nf，速度误差放大器25中输出与速度指令N的差ε(＝N-Nf)，用速度控制器(ASR)11放大。放大后的信号Iq成为转矩电流指令，对q轴电流误差放大器27输出并且对转差频率运算器36发送。

磁通运算器35导入感应型矢量控制电动机7b的转速Nf，因为直到基础转速是一定磁通电流、基础转速以上是一定输出控制，所以输出磁通电流Id以进行弱磁控制。36是转差频率运算器，磁通电流Id在基础转速以下时其输出的转差角频率ωs与转矩电流成比例地输出。另外，37是角频率转换常数(2π/60)，转换为实际角速度频率ωr，用加法器38运算输出角频率ω1-＝ωr+ωs。角频率ω1-对二相/三相转换器14和三相/二相转换器16发送，以ω1为基准进行二相/三相转换和三相/二相转换。另外，其他与图3A相同，所以省略说明。

关于总损耗运算/累加电路23，在图4A中也与图3A相同，所以省略说明。

图4b是说明基于图2的感应型有编码器(传感器)矢量控制电动机驱动电力转换系统的过载保护框图的图。电动机7b是感应型矢量控制电动机，编码器8的输出对位置/速度运算器17b输出。与图4A不同的部分，在于检测整流器2a的输出电流Idc的直流侧电流检测器32，和用分压电阻检测平滑电容器3的两端电压(P-N间电压)，使该分压电压通过绝缘放大器，对DC输入功率运算器34输入Idc和Vpn，求该信号的积，导出输出Pin的部分。以下示出与图4A不同的部分。

图5A是说明基于图1A的永磁体型无传感器无刷DC电动机(以下略称为DCBL电动机)驱动电力转换系统的过载保护框图的图。电动机7a是永磁体型无传感器DCBL电动机，结构是未使用编码器的无传感器的永磁体型同步电动机。与图3A的永磁体型有编码器(传感器)AC伺服电动机的不同在于因为没有编码器(传感器)，所以图3A中位置/速度磁极位置运算器17a成为位置/速度推测运算器17c，从二相/三相转换器14的输出输入相电压指令Vu、Vw，另外从U相、W相电流检测器Ctu、Ctw 9、10输入电流反馈，根据相电压指令矢量运算作为电动机常数的电动机绕组电阻Ra、电感La的电压降、电抗压降，推测电动机的感应电压从而推测速度。只要能够用位置/速度推测运算器17c推测速度，图5A的动作就能够与图3A同样处理，能够驱动永磁体型无传感器DCBL电动机17a。电动机的过载保护能够用总损耗运算/累加电路23的动作进行保护。

图5A是说明基于图2的永磁体型无传感器DCBL电动机驱动电力转换系统的过载保护框图的图。电动机7a与图5A同样是永磁体型无传感器DCBL电动机，结构是未使用编码器的无传感器的永磁体型同步电动机。图5B中，使检测输入功率Pin的点不是电动机的输入端子部，而是电动机驱动装置的逆变器4的输入部，该点与整流器2a的输出相同。与图5A不同的部分，在于整流器2a与逆变器4的中间存在平滑电容器3，对其两端电压Vpn用P侧分压电阻器30和N侧分压电阻器31分压，在分压点用绝缘放大器33使主电路侧与控制逻辑电路29一侧电绝缘。

绝缘放大器33的输出作为Vpn对DC输入功率运算器34发送。另一方面，直流侧电流检测器32检测主电路的Idc，输出从CT的二次侧绝缘的电流信号Idc，对输入功率运算器34发送。输入功率运算器34中运算Vpn·Idc的积，对于输入功率Pin用减法电路28检测Ploss＝Pin-Pout。该情况下，总损耗Ploss在电动机的总损耗(铜损、铁损、杂散负载损耗、机械损耗等)中包括逆变器4的损耗(开关元件5和续流二极管6的功率半导体元件的损耗)。

图6A是说明基于图1A的感应型无传感器矢量控制电动机驱动电力转换系统的过载保护框图的图。电动机7b是感应型无传感器矢量控制电动机，结构是未使用编码器的无传感器感应型电动机。与图4A的感应型有编码器(传感器)矢量控制电动机的不同，在于因为没有编码器(传感器)，所以图4A中位置/速度运算器17b根据编码器8的输出进行位置/速度运算。图6A中，在位置/速度推测运算器17c中，从二相/三相转换器14的输出输入相电压指令Vu、Vw，另外从U相、W相电流检测器CTu、Ctw 9、10输入电流反馈，根据相电压指令矢量运算作为电动机常数的电动机绕组电阻Ra、电感La的电压降、电抗压降，推测电动机的感应电压从而推测速度。只要能够用位置/速度推测运算器17c推测速度，图6A的动作就能够与图4A同样处理，能够驱动感应型无传感器矢量控制电动机17b。电动机的过载保护能够用总损耗运算/累加电路23的动作进行保护。

图6B是说明基于图2的感应型无传感器矢量控制电动机驱动电力转换系统的过载保护框图的图。电动机7b是感应型无传感器矢量控制电动机，结构是未使用编码器的无传感器感应型电动机。图6B中使检测输入功率Pin的点不是电动机的输入端子部，而是电动机驱动装置的逆变器4的输入部，该点与整流器2的输出相同。与图6A不同的部分，在于从检测整流器2的输出电流Idc的直流侧电流检测器32、和检测平滑电容器3的两端电压的Vpn到DC输入功率运算器34的输出信号Pin的部分。另外，输入功率Pin检测部与图3B相同所以省略说明。电动机的过载保护能够用总损耗运算/累加电路23的动作进行保护。该情况下，总损耗Ploss在电动机的总损耗(铜损、铁损、杂散负载损耗、机械损耗等)中包括逆变器4的损耗(开关元件5和续流二极管6的功率半导体元件的损耗)。

图7A是说明基于图1A的感应型VF逆变器控制通用电动机驱动电力转换系统的过载保护框图的图。电动机7b是感应型无传感器通用电动机，结构是未使用编码器的无传感器感应型的通用电动机。7b的感应型通用电动机的转速Nf用下述(式6)表达。

[式6]

(式6)Nf＝(120·f/2p)×(1-s/100)

f：频率(Hz)，p：极对数，s：转差

接着，最近的逆变器如图6A、图6B所说明，具有无传感器矢量控制功能，另外也具备按VF一定控制对感应型通用电动机进行控制的功能，用户能够选择无传感器矢量控制或者VF一定控制。VF逆变器中，改变对电动机施加的频率f而控制速度。此时，也自动地与频率f成比例地改变电压V，进行V/F一定控制。其中，电动机的转速Nf相对于施加的频率f，延迟转差s地旋转。用图7a说明VF逆变器的基本动作。对电压/频率控制器39输入频率指令frev，电压/频率控制器39按照频率指令frev输出f，此时也同时与频率f成比例地输出电压V。该电压V、频率f对40的三相分配器发送，与频率一同变化的相电压Vu、Vv、Vw对PWM电路15输入。PWM电路15对逆变器4的开关元件5施加栅极信号，驱动感应型通用电动机7b。以上是VF逆变器的基本动作。

接着说明过载保护动作。对于感应型通用电动机7b的电流，用9、10的U相、W相电流检测器CTu、CTw检测Iuf、Iwf。对于该Iuf、Iwf，用有效值换算器41按Ivf＝-(Iuf+Iwf)计算出v相电流Ivf，对Iuf、Ivf、Iwf进行三相全波整流或同步整流，调整振幅范围而转换为有效电流I，用42即电流转矩换算器换算为理想值转矩T(ideal)。关于该理想值转矩T(ideal)，在兼作矢量控制逆变器的VF逆变器的情况下，电动机常数已知，根据电流与转矩的换算值，得到无传感器矢量控制时的转矩T(ideal)。T(ideal)对43的V/F对矢量最大转矩比运算系数部发送。V/F对矢量最大转矩比运算系数部43一般由逆变器制造商在销售资料中公开，按每个型号标示。

图13是说明VF控制逆变器的最大转矩的图，对于其一例，在输出频率(Hz)对输出转矩(％)特性中，标示了无传感器矢量控制的最大转矩T(vec)max和V/F控制的最大转矩T(V/F)max。V/F对矢量最大转矩比运算系数部43中，对于输入的转矩T(ideal)，乘以T(V/F)max/T(vec)max的最大转矩比运算系数，输出VF逆变器控制时的电动机转矩T。另一方面，用电压/频率控制器39输出逆变器输出频率F，用46的同步转速换算系数部对输入的频率F乘以系数(120/2p)，得到同步转速Ns。此处忽略转差s时电动机转速Nf≈Ns，将Ns视为电动机转速Nf，用输出功率Pout运算器19按2πNf·T/60的运算处理得到输出功率Pout。另外，关于输入功率Pin，在44的乘法器中，从三相分配器40输入U相电压Vu，从U相电流检测器CTu 9输入U相电流Iuf，用乘法器44运算两个信号的积，用45进行2f除去滤波处理后其输出可以得到单相输入功率。对该单相输入功率用47的三相倍率系数乘以3(×3)则得到输入功率Pin，用减法电路28按Pin-Pout得到感应型VF逆变器驱动通用电动机7b的总损耗。总损耗Ploss对电子热继电器电路22发送，按每个电子热继电器运算周期即采样时间ts将总损耗Ploss换算为权值，每次采样时对于电子计数器在超过额定损耗的情况下做加法运算，在不足额定损耗的情况下做减法运算，是额定损耗时加上权值零。在电动机运转中始终反复增加、减少总损耗，达到某一阈值的情况下，判断电动机过载而对保护处理电路24输出OL信号，为了过载保护而使电动机停止。根据以上所述，电动机的过载保护能够通过总损耗运算/累加电路23的动作进行保护。

图7B是说明基于图2的感应型VF逆变器控制通用电动机驱动电力转换系统的过载保护框图的图。电动机7b是感应型无传感器通用电动机，结构是未使用编码器的无传感器感应型的通用电动机。图7B中使检测输入功率Pin的点不是电动机的输入端子部，而是电动机驱动装置的逆变器4的输入部，该点与整流器2的输出相同。与图7A不同的部分，在于从检测整流器2的输出电流Idc的直流侧电流检测器32、和从检测平滑电容器3的两端电压的Vpn到DC输入功率运算器34的输出信号Pin的部分。另外，输入功率Pin检测部与图3b相同所以省略说明。电动机的过载保护能够用总损耗运算/累加电路23的动作进行保护。该情况下，总损耗Ploss在电动机的总损耗(铜损、铁损、杂散负载损耗、机械损耗等)中包括逆变器4的损耗(开关元件5和续流二极管6的功率半导体元件的损耗)。

根据以上所述，用图3A～图7B示出了在永磁体型(有传感器)AC伺服电动机、永磁体型(无传感器)DCBL电动机、感应型(有传感器或无传感器)矢量控制电动机、VF逆变器驱动的通用电动机中，不是通过检测电动机的电流进行过载保护，而是能够通过检测总损耗进行过载保护。

接着，用图8说明在电动机减速时的再生运转时，与动力运转时同样地用(式4)检测总损耗。容易理解总损耗检测在定速的稳定运转时、和电动机加速时能够检测总损耗。但是在图8的i)转速Nf中，在减速时，从转速Nf起切断电源，以比自然停止的时间更快的时间停止的情况下，电动机转矩T如ii)的转矩Td所示为负，成为再生状态。此时，考虑电动机的输出功率Pout和输入功率Pin成为如iii)所示，Pin和Pout双方为负的情况。

其中，图1用粗箭头示出了动力运转状态的输入功率Pin、输出功率Pout、总损耗PLOSS，示出了输入功率Pin最粗，输出功率Pout较细，箭头变细的部分是总损耗PLOSS的粗细。

图9是说明再生时的输入功率、输出功率、总损耗的关系的图。图9中输入功率Pin、输出功率Pout双方为负，所以方向与图1相反。另外，图8的iii)的减速时的输入功率Pin和输出功率Pout的大小即绝对值是输出功率Pout较大。这表示电力(W)从机械侧通过电动机1返回电动机驱动电力转换装置48。此时(式4)式是PLOSS＝Pin-Pout，带符号并对于数值的大小按绝对值在()内记入大、小时Pin-Pout成为(式7)，总损耗PLOSS成为正值，在动力运转状态和再生状态下都能够视为损耗。从而即使不改变(式4)也能够直接计算。

[式7]

(式7)PLOSS＝[Pin]-[Pout]＝-(小)-{-(大)}≥0

即，即使运转模式改变，也始终能够实时地检测总损耗。关于这一点，存在如铜损、铁损和杂散负载损耗等一般，在电动机内发生的现象在电动机驱动电力转换装置内构成模拟函数，将该模拟函数用于电动机控制同时也在保护电路中进行时，某一电动机常数错误的情况下，电动机未察觉地温度上升，但电动机驱动电力转换装置的模拟电路认为正在正常运转而不进行保护的情况。一般而言，本来使控制电路与保护电路独立，保护电路一方负责监视的作用。本申请中总损耗的检测方法采用与控制完全独立的结构。

图14是在动力运转时的电动机的速度-转矩特性中说明输入功率、损耗、输出功率的图。图中横轴是转速Nf，纵轴是转矩T，用点A-点B-点C-点D示出电动机的最大转矩。另外，用黑点示出了作为电动机的额定转矩To、额定转速Nf₀的额定点。接着，设额定输出功率为Pout(0)，通过额定点的黑点的转矩T曲线对Pout＝2π·Nf·T/60变形时成为下述(式8)。

[式8]

(式8)T＝9.55×(Pout(0)/Nf)

其中，Pout(0)：额定输出功率(W)

该(式8)中，转矩T和转速Nf成反比例曲线，在图14中示出Pout＝Pout(0)的一定曲线。另外，在图14左侧标示了各损耗，在输出功率Pout曲线上示出了机械损耗、铁损、杂散负载损耗、铜损，铜损上的线表示输入功率Pin。铜损在低速高转矩区间中，因为电流增加而占总损耗的比例是支配性的，铁损根据(式1)(式2)不受电流影响而在高速区间中占总损耗的比例急剧增加，支配高速区间。

图15是在再生时的电动机转速-转矩特性中说明输入功率、损耗、输出功率的图。该图中，横轴是转速Nf，轴用正刻度记载，纵轴是转矩T，轴用负刻度记载。用图9的一～四象限图表示时是4象限的再生状态的图，图15上下相反，所以与图14同样地记载。再生运转中，从机械侧使电动机轴旋转，输出功率Pout最大，使该能量返回输入电源，所以在电动机和电动机驱动电力转换装置中发生损耗，所以输入功率Pin较小。

图15中没有区分记载各损耗，但被输入功率Pin和输出功率Pout夹着的部分是总损耗Ploss。总损耗在低速区间的高转矩区间中，铜损是支配性的，在高速区间的最大转矩下降的区间中铁损是支配性的。其中，在再生状态下，如果用(式4)带符号地运算总损耗，则总损耗也始终能够计算出正的量。

图16是用于说明本实施方式的过载保护特性曲线的图。这是表示总损耗Ploss(％)与电子热继电器工作时间t(s)的关系的图，是使渐近线为总损耗Ploss＝100(％)、Kc是固定系数、使电子热继电器工作时间t＝Kc/Ploss的反比例曲线向右侧平行移动的图。其中，总损耗Ploss＝100(％)指的是以额定转矩To、额定转速Nfo运转时的总损耗Ploss(0)，以下将Ploss(0)称为额定损耗，表示Ploss＝100(％)。用下述(式9)表达电子热继电器工作时间t(s)。

[式9]

(式9)t＝Kc/(Ploss-Ploss(0))

其中，(式9)中存在2条渐近线，之前说明的渐近线Ploss＝100(％)是x轴的总损耗轴。用两条正交的渐近线夹着的曲线是第一象限曲线和第三象限曲线。第一象限曲线表示短时间过载运转能够运转多少秒。接着，第三象限表示总损耗不足100(％)的电子热继电器动作。电动机连续额定的情况下，能够在额定点连续运转，所以以电动机的绕组温度成为不足由耐热等级决定的最高允许温度附近的方式制造。因此，在不足100％的轻负载时，相对于由电动机散热面积决定的散热量，发热量降低，散热量超出，所以电动机的绕组温度下降。电子热继电器特性的动作，是在第一象限曲线中总损耗超过100(％)时，电子热继电器累加计数器按每个采样时间持续做加法运算，接近保护电动机的上限值。在该状态下总损耗不足100％时，在第三象限曲线中累加的计数器按每个采样时间做减法运算来变动。即，第一象限曲线是电子热继电器累加计数器的增加特性，第三象限曲线是表示减少特性的曲线。

图17是说明施加最大总损耗时的斜率的图。例如，说明图16中最大总损耗Ploss＝400％时，电子热继电器工作时间为t(torip)秒的情况。图17的1)是对电动机持续施加总损耗Ploss＝400(％)的最大损耗的图。2)示出了此时的电子继电器累加计数器值。电子热继电器累加计数器值的最大值Kf考虑量化的分辨能力而设为6,000,000(digit)，计数器值达到该值时，为了保护而使电动机停止。上述例子中在t(trip)秒中使计数器跳闸。

电动机的使用环境中的使用温度的上限一般是40℃。另外，电动机中根据耐热等级由规格决定最高允许温度，如下所述。

电动机的温度上升限度ΔTmax是(耐热等级的最高允许温度)-(电动机使用温度的上限值40℃)-Ts，Ts在用电阻法测定绕组温度的情况下，使绕组绝缘的绝缘物以允许最高温度的最高点为对称，但用电阻法测定温度上升的情况下，是测定平均温度上升值，考虑其差5～15℃。

此处，在耐热等级130(B)的例子中，设电动机的温度上升限度ΔTmax＝80(K)时，图17的2)的累加计数器值的max是温度上升值80(K)对应于6,000,000(digit)，温度上升值0(K)的起点相当于电动机使用温度的上限值40℃。

为了在总损耗Ploss＝400(％)时电子热继电器工作时间在t(trip)秒时跳闸，而在图17的2)中描绘斜率a的直线y＝ax。Δt是运算电子热继电器的采样时间，Δy是1次采样时间(s)中加减的权值。设电子热继电器累加计数器值的max值为Kf。此处根据(式8)和直线y＝ax＝Kf求出1次采样时间(s)加减的权值Δy。设斜率a＝(Δy/Δt)，对t代入上述(式9)，成为下述(式10)，其中Δy用(式11)表达。

[式10]

(式10)y＝(Δy/Δt)×Kc/(Ploss-Ploss(0))＝Kf

[式11]

(式11)Δy＝(Kf×Δt/Kc)×(Ploss-Ploss(0))

其中，

Δy：1次采样时间中加减的权值(digit)

Δt：电子热继电器的采样时间(s)

Kf：电子热继电器累加计数器值的max值(digit)

Ploss：总损耗

Ploss(0)：额定损耗(Ploss＝100％)

该(式11)式的(Kf×Δt/Kc)是一定值，是比例常数。在图中示出时成为图18，用总损耗100％以上增加、100％以下减少的简单的一次函数表达。

图19是说明与图16不同的本实施方式的过载保护特性曲线的图。与图16的不同点在于曲线是一条，渐近线是x轴的总损耗轴和y轴的电子热继电器工作时间轴。这是因为即使总损耗少量发生时电动机绕组也温度上升，所以为了忠实地模拟电动机绕组温度，而不是在超过额定输出功率时的总损耗100％时开始增加电子总损耗时间累加计数器。电子热继电器工作时间t是上述(式9)t＝Kc/Ploss，总损耗与电子热继电器工作时间成反比。

图20是说明电动机的耐热等级和施加过载时、绕组温度从电动机使用温度范围的上限值上升至耐热限度值的动作的图。此处，将图17中说明的内容代入图20时，电动机在使用环境中的使用温度的上限一般是40℃。另外，电动机中根据耐热等级由规格决定最高允许温度，如下所述。电动机的温度上升限度ΔTmax按(耐热等级的最高允许温度)-(电动机使用温度的上限值40℃)-Ts(用电阻法得到的平均温度与最高温度的温度差)在以下记载。

图20的时间t＝0时，从作为电动机在使用环境中的使用温度的上限值的40℃开始，根据电动机的各耐热等级达到温度上升允许值ΔTmax时，判断为过载而使电动机停止进行保护。代入电子总损耗时间累加计数器动作时，在控制电源接通时将累加计数器预设为40℃并开始。温度上升允许值ΔTmax相当于判断为过载的阈值，是累加计数器达到6,000,000(digit)时。

图21是记载了使用图19的过载保护特性曲线的电子总损耗时间累加计数器的硬件示意图。56是总损耗/脉冲频率转换器，转换为与输入的总损耗Ploss量成比例的脉冲频率并输出。输入的总损耗量增加2成时脉冲频率的数量增加2成。总损耗/脉冲频率转换器56的输出之一对59的UP(加法)输入禁止电路输入。UP(加法)输入禁止电路59不是禁止状态的情况下，使来自总损耗/脉冲频率转换器56的脉冲频率对60的总损耗时间累加增/减计数器输入，模拟电动机的绕组温度的计数器值对于一定的总损耗量的输入，如果累加量变多则绕组温度上升，所以计数器值持续增加。

该状态持续，总损耗时间累加增/减计数器进一步上升，总损耗时间累加增/减计数器60的值达到65的电动机绕组过载设定温度时，对两者进行比较的比较器66的输出一致输出“L”电平。该信号返回UP(加法)输入禁止电路59，禁止从总损耗/脉冲频率转换器56输入的脉冲频率。

其中，对两者进行比较的比较器66的输出一致输出“L”电平时，通过67的逆变器门(Inverter Gate)成为OL信号对保护处理电路24输入，判断电动机过载，停止电动机的运转而保护电动机。

另外，总损耗/脉冲频率转换器56的另一方的输出通过57的时滞元件电路即一定时间延迟动作的时滞元件电路，对58的DN(减法)输入禁止电路输入。DN(减法)输入禁止电路58不是禁止状态的情况下，使来自时滞元件电路57的脉冲频率对总损耗时间累加增/减计数器60输入而减少。该减少是电动机绕组中蓄积的热量通过绝缘材料从铁等安装面通过固体传导而散热，或者从电动机外周的冷却肋片向大气中自然对流或强制风冷形成的对流而散热。因为是传导、对流，所以存在热传导至安装接触面和电动机表面的延迟时间，因此构成了时滞元件电路57。

其中，电动机在额定转矩、额定转速下连续额定的情况下能够连续运转，虽然在电动机绕组中蓄热而温度上升，但在延迟时间的迟滞时间后蓄热、散热逐渐达到平衡状态。此时的总损耗、额定损耗下不发生过载。但是，成为额定损耗以上的损耗时，蓄热量超过散热，绕组温度持续上升。总损耗/脉冲频率转换器56中，仅对减法运算一方对于最大斜率将总损耗＝100％下增加时的斜率设为最大减法运算斜率，仅在减法运算时对最大减法运算斜率施加限制。因此，施加额定损耗以上的损耗时，温度上升持续，达到判断为过载的温度，停止电动机的运转而进行保护。

其中，总损耗时间累加增/减计数器60中，在控制电源接通时或者运转开始时，设置63的电动机绕组温度预设数据之后，开始总损耗时间累加增/减计数器60。61是40℃电动机绕组温度(电源接通时预设)电路，控制电源接通时将电动机使用温度范围的上限温度即40℃的温度对62的运转开始时电动机绕组温度传输，写入63的电动机绕组温度预设数据。另外，在电动机运转开始前，从上级装置等外部通过通信线缆，实测电动机的绕组温度，通过电动机驱动电力转换装置48内的64的串行接口改写运转开始时电动机绕组温度62时，总损耗时间累加增/减计数器60能够从实测的绕组温度开始。

图22是说明电动机绕组温度的动作的图。另外，图22是用时序图示出图21的动作的图。横轴表示时间t，纵轴表示作为电动机的绕组温度T的电子总损耗时间累加计数器的动作。用从原点向右上升的直线即示为额定总损耗的直线，是在额定运转时，图21的电子总损耗时间累加计数器的增加侧的增加计数器的电动机绕组的蓄热动作。散热动作是通过传导、对流散热，经过热传导至安装接触面和电动机表面的延迟时间“L”之后，使增加时对总损耗时间累加计数器输入的函数极性反转，对于减法运算的最大斜率将总损耗＝100％下做加法运算时的斜率设为最大减法运算斜率，经过时间“L”之后，向右下降。用该向右上升的示为额定总损耗的直线、和散热特性的增加的直线记载，用粗体虚线表示了两条直线相加的结果，向右上升并在时间“L”时水平地变动。

其中，示出了判断为过载的电动机绕组过载设定温度，超过该线时判断为过载而进行保护动作。另外，从原点以最大总损耗急剧上升的直线，不等到迟滞时间“L”就达到电动机绕组过载设定温度，在×标记的点进行过载保护停止动作。

图23是说明在电动机驱动电力转换装置中预设电动机绕组温度之后的运转的图。1a是电动机，48是电动机驱动电力转换装置，在电动机1a与电动机驱动电力转换装置48之间存在电动机绕组电阻测定时的切断开关55。电动机绕组电阻测定时的切断开关55，在运转开始前测定电动机1a的绕组温度时，断开该开关55，切断电动机1a与电动机驱动电力转换装置48，用53的电动机的绕组电阻测定器进行测定。

54-1、54-2、54-3是选择电动机1a的测定的端子的端子模块，54-1是电动机绕组U-V端子间测定模块，54-2是电动机绕组V-W端子间测定模块，54-3是电动机绕组W-U端子间测定模块，54-0是电动机绕组的测定相的切换连接片，按测定电动机1a的哪个端子间选择模块并用电阻法测定。电阻法是利用绕组的温度系数已知这一点，根据运转开始前和运转开始后的绕组电阻值计算温度上升的方法。其中，对于运转开始前的绕组电阻值只要事先记录周围温度下的绕组电阻值即可。

用电动机的绕组电阻测定器53进行测定，计算绕组温度，求出的温度上升值对52的上级控制装置输入。使电动机运转时，将54-0的电动机绕组的测定相的切换连接片全部拆除，闭合电动机绕组电阻测定时的切断开关55之后，对电动机驱动电力转换装置48接通控制电路电源51，电动机驱动电力转换装置48预设40℃电动机绕组温度。之后，接通主电路电源50。上级装置52通过通信对电动机驱动电力转换装置48传输电动机温度预设数据而改写为40℃电动机绕组温度数据，开始总损耗时间累加计数器的动作。

图24是说明与图21不同的本实施方式的图3A～图7B的电子热继电器电路22的图。电子热继电器电路22用与图19不同的电动机的热模型求出电动机的一次绕组温度上升值。对于图的左侧的输入功率Pin的“+”和输出功率Pout的“-”用减法电路28求差，输出总损耗P_LOSS作为指令。对于总损耗P_LOSS在相加点68与反馈求差，该偏差ε对包括积分元素的电动机框体发热部的传递函数70发送。接着，对与电动机的温度相关的数学式总结说明。

电动机的总热量Q(J)对总损耗Ploss进行时间积分而用(式12)表达。

[式12]

(式12)Q＝∫Ploss dt(J)

其中，Q：电动机的总热量(J)

Ploss：电动机的总损耗(W)

关于电动机的总热量Q，在感应电动机的情况下，分为电动机的一次侧(定子)绕组和二次侧(转子)的铜条时成为(式13)。其中，电动机的转子是永磁体的PM电动机中不发生二次侧铜损。

[式13]

(式13)Q1＝k1×Q(J)

其中，k1：一次侧的热量相对于总热量Q的比例(＝Q1/Q)

另外，电动机的一次绕组的温度上升Tc1(K)在设电动机的一次侧的热量为Q1(J)、电动机一侧绕组的质量为m1(kg)、电动机一侧绕组的比热为c1(J/kg·K)时成为(式14)。

[式14]

(式14)Tc1＝Q1/m1·c1(K)＝k1·Q/m1·c1(K)

其中，Tc1：电动机的一次绕组的温度上升(K)

Q1：电动机的一次侧的热量(J)

m1：电动机一侧绕组的质量(kg)

c1：电动机一侧绕组(铜线)的比热(J/kg·K)

从电动机的绕组(包括铁芯等)内部发生的总热量Q在电动机框体中按(式15)蓄积。其中，电动机的比热c₀实际上由各种部件构成，有各种各样的材质，所以作为复合比热决定温度的测定场所用实测求出。

[式15]

(式15)Tc₀＝Q/m₀·c₀(K)

其中，Tc₀：电动机框体的温度上升(K)

Q：电动机的热量(J)

m₀：电动机的质量(kg)

c₀：电动机的比热(J/kg·K)

另一方面，从电动机散热的热量通过电动机的安装夹具等金属固体传导，和从电动机表面的冷却肋片向大气中自然或强制对流、或者辐射。

从电动机表面的冷却肋片(个体)与大气(流体)之间的对流进行的热传导中，存在自由对流和强制对流，任一情况下热传导都如(式16)所示。

[式16]

(式16)Qf＝α(T_C0-Ta)A

其中，Qf：单位时间的散热(导热)量，W，[kcal/h]

α：导热系数W/m²K，[kcal/m²hK]

T_C0：导热面的温度K，[℃]

Ta：大气(流体)的温度K，[℃]

A：固体的表面积(导热面积)m²，[m²]

包括积分元素的电动机框体发热部的传递函数70中，根据(式12)对总损耗Ploss用积分元素1/s积分成为电动机的总热量Q(J)，接着根据(式15)除以(电动机质量m0)×(电动机比热C)输出电动机框体温度上升值Tc0。对于该电动机框体温度上升值Tc0在相加点69运算与周围温度Ta的差(Tc0-Ta)，对于该差用电动机框体散热部的传递函数71进行(式16)的运算，输出单位时间的散热量Qf’。其中，单位时间的散热量Qf’中，各散热通路的散热量、例如从电动机的安装脚的散热、从电动机框体周围的冷却肋片的散热不明，而且也难以计测。

另外，对于电动机的热模型采用负反馈环的理由，在于使电动机以某一负载率运转时电动机的温度上升必然是某个固定的温度上升值，最终达到热平衡状态。热平衡状态指的是总损耗Ploss与作为反馈量的单位时间的散热量Qf’在稳定状态下成为一定的相等值。因此，电动机的热模型采用负反馈环，构成电与热力学融合而成的热模型。

接着，相加点68的输出即偏差Hε从负反馈环分支，在传递函数72中乘以一次侧的损耗相对于电动机的总损耗Ploss的比率k1之后，在传递函数73中用积分元素1/s积分，成为电动机的一次绕组的热量Q1(J)，通过(式14)的运算、即除以(电动机的一次绕组的质量m1)×(一次绕组(铜线)的比热c1)而输出电动机的一次绕组的温度上升值Tc1。此处，电动机框体质量较大，所以难以升温、难以冷却。因此，即使总损耗Ploss发生若干变动，电动机框体整体的温度上升值也是短时间内不受到较大变动的稳定的值。

本例中，利用该特性用稳定的电动机框体构成负反馈环，偏差即总损耗Ploss-单位时间的散热量Qf’的值，在热平衡状态下视为不发散的损耗，由此分支，采用求出热时间常数与电动机框体相比充分小、总损耗Ploss的一定变动中受到较大变动的电动机的一次绕组温度上升值的结构。然后，对于进行过载保护的一次绕组的温度上升值，追踪一次绕组的损耗k1×Ploss的变动，监视瞬间的温度上升值的峰值，对76的过载保护判断电路发送。

过载保护判断电路76中，输入电动机的周围温度Ta，初始值设定为电动机的使用温度的上限值40℃。不检测电动机的周围温度的情况下，无论实际的电动机的周围温度如何，在控制上都视为40℃进行控制，与判断为过载的阈值进行比较，成为即使瞬间过载也能够保护的结构。其中，关于传递函数72的k1，在电动机的转子是永磁体的PM电动机中不存在二次侧铜损而能够设为k1＝1。

其中，图24的传递函数70、73中存在积分元素1/s。对于该70和71的积分元素1/s能够从相加点68起将一方移动至指令侧的总损耗、另一方移动至反馈侧进行等价转换。指令侧对总损耗进行积分成为总热量Q(J)，反馈侧对单位时间的散热量Qf’进行积分成为总散热量Qf(J)。该情况下，电动机框体温度上升值Tc0、电动机的一次绕组的温度上升值Tc1与图24相比不变。

图25是用温度传感器检测电动机的周围温度进行电动机的过载保护的说明图。1a是电动机，48是电动机驱动电力转换装置。电动机的周围温度用周围温度计测热敏电阻74的温度传感器检测，通过传感器线缆75从电动机驱动电力转换装置48的模拟输入端子导入。使电动机运转时，对电动机驱动电力转换装置48接通控制电路电源51，电动机驱动电力转换装置48预设40℃的电动机周围温度。之后，接通主电路电源50，按照来自上级控制装置52的运转指令开始运转。

不检测电动机的周围温度Ta的情况下，电动机驱动电力转换装置48将电动机的周围温度Ta的初始值设为电动机的使用温度范围的上限值40℃，所以阈值即电动机的一次绕组的允许温度上升值是(温度上升允许值)+(电动机使用温度范围的上限值)。检测电动机的周围温度Ta的情况下，始终可以得知用过载保护判断电路76检测出的电动机的周围温度，所以新的允许温度上升允许值，是(温度上升允许值)+{(电动机使用温度范围的上限值)-(检测出的电动机的周围温度)}，检测出的电动机的周围温度是低于电动机的使用温度范围的上限值的周围温度的情况下，能够使电动机的一次绕组温度的上限值与其差相应地增大。反之，电动机的周围温度高于电动机的使用温度范围的上限值的情况下，以往存在电动机烧毁的风险，但因为阈值下降所以电动机不会烧毁。因此，能够实现更正确的过载保护，用户可以按符合性能的规格使用过载保护。

这样，根据本实施方式，对于铁损、机械损耗等不由电动机电流引起的损耗，不需要构成基于式1、式2式的使用铁板的厚度t、频率f、最大磁通密度Bm、磁性体的电阻率ρ、比例常数Kh、Ke的复杂的控制框图求出。

另外，难以定量预测的杂散负载损耗的量，在占总损耗的比例较大的情况下必须加以考虑，但根据本实施方式，具有即使各损耗不明，也可以正确得到总损耗的效果。

以上说明了应用本发明的一个实施方式，但本发明不限定于上述结构，能够在不脱离其主旨的范围内进行各种变更。例如，能够适当用硬件或软件控制各功能部的功能的一部分或全部。

附图标记说明

1a…电动机，1b…电动机，2a…整流器，2b…带有电源再生功能的整流器，3…平滑用电容器，4…逆变器，5…开关元件，6…续流二极管，7a…永磁体型同步电动机(SM)，7b…感应电动机(IM)，8…编码器，9…U相电流检测器CTu，10…W相电流检测器CTw，11…速度控制器(ASR)，12…d轴电流控制器(ACR)，13…q轴电流控制器(ACR)，14…二相/三相转换器，15…PWM电路，16…三相/二相转换器，17a…位置/速度磁极位置运算器，17b…位置/速度运算器，17c…位置/速度推测运算器，18…转矩运算器，19…输出功率Pout运算器，20…电流运算器，21…电动机输入功率运算器，22…电子热继电器电路，23…总损耗运算/累加电路，24…保护处理电路，25…速度误差放大器，26…d轴电流误差放大器，27…q轴电流误差放大器，28…减法电路(Ploss＝Pin-Pout)，29…控制逻辑电路，30…P侧分压电阻器，31…N侧分压电阻器，32…直流侧电流检测器，33…绝缘放大器，34…DC输入功率运算器，35…磁通运算器，36…转差频率运算器，37…角频率转换常数(2π/60)，38…加法器(ω1＝ωr+ωs)，39…电压/频率控制器，40…三相分配器，41…有效值换算器，42…电流转矩换算值，43…V/F对矢量最大转矩比运算系数，44…乘法器，45…2f除去滤波器，46…同步转速换算系数(120/2p)，47…三相倍率系数(×3)，48…电动机驱动电力转换装置，49…交流电抗器，50…主电路电源，51…控制电路电源，52…上级控制装置，53…电动机的绕组电阻测定器，54-0…电动机绕组的测定相的切换连接片，54-1…电动机绕组U-V端子间测定模块，54-2…电动机绕组V-W端子间测定模块，54-3…电动机绕组W-U端子间测定模块，55…电动机绕组电阻测定时的切断开关，56…总损耗/脉冲频率转换器，57…时滞元件电路，58…DN(减法)输入禁止电路，59…UP(加法)输入禁止电路，60…总损耗时间累加增/减计数器，61…40℃电动机绕组温度(电源接通时预设)电路，62…运转开始时电动机绕组温度，63…电动机绕组温度预设数据，64…串行接口，65…电动机绕组过载设定温度，66…比较器，67…逆变器门，68…相加点(指令-反馈)，69…相加点(电动机框体温度上升值-周围温度)，70…包括积分元素的电动机框体发热部的传递函数，71…电动机散热部的传递函数，72…一次侧的损耗相对于电动机的总损耗Ploss的比例，73…包括积分元素的电动机一次绕组的传递函数，74…周围温度计测热敏电阻，75…传感器线缆，76…过载保护判断电路。

Claims

1.一种具备电动机的过载保护用电子热继电器功能的电动机电力转换装置，其特征在于：

包括总损耗时间累加计数器，其输出对以电动机的总损耗为时间积一定的方式工作时的电动机的绕组温度进行模拟而得到的累加值，在所述累加值达到规定的阈值时，输出使电动机停止运转的信号，

所述总损耗时间累加计数器从电动机的输入功率中减去电动机的输出功率来求取电动机的总损耗，

所述总损耗时间累加计数器还在被x轴为总损耗轴、y轴为总损耗＝100％轴的正交的2条渐近线夹着的总损耗与时间的积一定的反比例曲线中，将相对于渐近线的交点点对称的2条曲线中的一条曲线作为累加计数器做加法运算，另一条曲线作为累加计数器做减法运算。

2.如权利要求1所述的电动机电力转换装置，其特征在于：

所述总损耗时间累加计数器以包括所述电动机电力转换装置的逆变器的损耗的电动机的总损耗时间积一定的方式工作。

3.如权利要求2所述的电动机电力转换装置，其特征在于：

总损耗时间累加计数器从电动机电力转换装置的整流器与逆变器的中间电位的输入功率中减去电动机的输出功率来求取所述包括逆变器的损耗的电动机的总损耗。

4.如权利要求1或3所述的电动机电力转换装置，其特征在于：

所述总损耗时间累加计数器在总损耗为0％以上时始终工作，

而且所述电动机电力转换装置具有始终工作的减法计数器，

该减法计数器具有使做加法运算时输入到总损耗时间累加计数器的函数极性反转的、一定时间延迟动作的时滞元件，对于做减法运算的最大斜率将总损耗＝100％下做加法运算时的斜率设为最大的减法运算斜率而仅在减法运算时施加限制，

所述总损耗时间累加计数器在达到温度上升允许值时输出使电动机停止运转的信号。

5.如权利要求1或2所述的电动机电力转换装置，其特征在于：

所述总损耗时间累加计数器在控制电源接通时将电动机使用温度范围的上限温度设定为所述电动机的绕组温度的初始值，

对于该电动机使用温度范围的上限温度，在达到了从电动机的绕组温度的初始值到不足电动机的耐热等级的最高允许温度附近的温度上升限度值时判断为过载，输出使电动机停止运转的信号。

6.如权利要求5所述的电动机电力转换装置，其特征在于：

所述总损耗时间累加计数器在所述电动机运转开始前从外部接收电动机绕组温度的输入，

与该电动机绕组温度的输入相应地，将(温度上升允许值)+{(电动机使用温度范围的上限值)-(运转开始前的电动机的绕组温度)}作为新的温度上升允许值，

在达到了该新的温度上升允许值时输出使电动机停止运转的信号。

7.如权利要求5所述的电动机电力转换装置，其特征在于：

所述总损耗时间累加计数器始终从外部接收电动机的周围温度的输入，

与该周围温度的输入相应地，将(温度上升允许值)+{(电动机使用温度范围的上限值)-(检测出的电动机的周围温度)}作为新的温度上升允许值，在达到了该新的温度上升允许值时输出使电动机停止运转的信号。

8.如权利要求1所述的电动机电力转换装置，其特征在于：

所述总损耗时间累加计数器，在电动机的运转状态为动力运转或再生运转时，将输入功率和输出功率的值以从电源侧流至电动机输出的方向作为正、以从电动机输出流至电源侧的方向作为负来求取电动机的总损耗。

9.一种具备电动机的过载保护用电子热继电器功能的电动机电力转换装置，其特征在于：

检测基于电动机的热量的物理量交流电动机的总损耗，将电动机的总损耗作为指令，电动机的单位时间的散热量作为反馈量，累加指令与反馈量的差作为偏差，构成用该累加值作为电动机的内部发热量的正反馈环，并且构成用电动机的单位时间的散热量作为负反馈环的负反馈的热模型，将所述负反馈的偏差分支，对分支后的偏差乘以电动机的一次侧损耗/总损耗的比率，对乘以比率后的偏差除以(电动机的一次绕组的质量)×(电动机的一次绕组的比热)，对该值进行按时间累加的累加运算，由此计算电动机的一次绕组的温度上升值，在所述电动机的一次绕组温度上升值达到了判断为过载的阈值时，使电动机停止运转。

10.如权利要求9所述的电动机电力转换装置，其特征在于：

所述基于负反馈的热模型，是下述负反馈环：

按基于电动机的热量的物理量检测交流电动机的总损耗，将电动机的总损耗作为指令，电动机的单位时间的散热量作为反馈量，累加指令与反馈量的差作为偏差，

对所述偏差的累加值除以(电动机质量)×(电动机的比热)，

将电动机框体的温度上升值作为控制量，从所述电动机框体的温度上升值中减去电动机的周围温度，

对所述相减值乘以(电动机的热传导系数)×(电动机的表面积)从而将电动机的单位时间的散热量作为反馈量。