CN106063119B - 电力转换装置和电力转换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电力转换装置，其能够在电动机的转子空转中更快且更容易地判断旋转状态。电力转换装置(101)包括：具有半导体开关元件，通过上述半导体开关元件的通/断组合将直流电压转换为任意的电压来驱动永磁体同步电动机(105)的电力转换器(103)；控制上述电力转换器(103)的半导体开关元件，从上述电力转换器(103)对该永磁体同步电动机(105)施加任意的电压的控制装置(106)；和检测或推测该永磁体同步电动机(105)中流动的电流的电流检测器(104)；上述控制装置(106)在该永磁体同步电动机(105)空转或停止时从上述电力转换器(103)对该永磁体同步电动机(105)施加任意的电压，基于该永磁体同步电动机(105)中流动的电流和施加的电压判断该永磁体同步电动机(105)的旋转状态。

Description

电力转换装置和电力转换方法
技术领域
本发明涉及电力转换装置和电力转换方法。
背景技术
作为本技术领域的背景技术。有日本特开2007-89269号公报(专利文献1)。该公报中，记载了“具有将直流电力转换为任意频率的交流电力的VVVF逆变器、和不检测电动机的转速地供给栅极指令并调节输出VVVF逆变器的输出频率和输出电压而驱动上述电动机的逆变器控制单元的电动车控制装置，基于电动机的磁通或感应电压推测该电动机的转速。”(参考摘要)
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-89269号公报
发明内容
发明要解决的课题
专利文献1中，记载了电动机的旋转状态判断方法。但是，专利文献1的旋转状态判断方法中，例如在转子空转中为了判断旋转状态而基于电动机的磁通或感应电压推测电动机的转速，判断旋转状态耗费时间。因此，难以立刻得到旋转状态。另外，在用于判断旋转状态的转速推测中存在误推测的可能性。
于是，本发明提供一种能够在电动机的转子空转中更快且更容易且可靠地判断旋转状态的电力转换装置。
用于解决课题的技术方案
为了解决上述课题，例如采用权利要求书中记载的结构。
本申请包括多种解决上述课题的方案，举起一例，构成为包括将直流或交流的电压转换为任意的电压来驱动电动机的电力转换器、控制所述电力转换器对该电动机施加任意的电压的控制装置、和检测或推测该电动机中流动的电流的电流检测器，所述控制装置在该电动机空转或停止时对该电动机施加电压，通过对由所述电流检测器检测到或推测出的电流值与基于施加的电压计算出的状态判断值进行比较来判断该电动机的旋转状态。
发明效果
根据本发明，能够提供一种在电动机的转子空转中也能够更快且更容易且可靠地判断旋转状态的电力转换装置。
上述以外的课题、结构和效果将通过以下实施方式的说明而说明。
附图说明
图1是实施例1中的电力转换装置的结构图的一例。
图2是实施例1中的电力转换装置的交流电动机状态判断部的结构图的一例。
图3是实施例1中的电力转换装置的交流电动机状态判别部108内的交流电动机状态判断处理部203的结构处理的一例。
图4是表示实施例1中的施加任意的电压的电力转换装置与永磁体同步电动机105的关系的简易的一相的等价电路图的一例。
图5是表示实施例1中的在永磁体同步电动机105旋转中施加电压VI时流过的电流与时间的关系的一例。
图6是实施例1中的对永磁体同步电动机105施加电压时的电流与时间的关系图的一例。
图7是实施例1中特定条件时的与永磁体同步电动机105的旋转频率相应的电流成长图的一例。
图8是实施例1中的对电力转换装置的交流电动机状态判断值和交流电动机状态判断时间设置任意阈值的情况下的施加电压与电流的关系图。
图9是实施例2中的电力转换装置的结构图的一例。
图10是实施例2中的电力转换装置的交流电动机状态判断部的结构图的一例。
具体实施方式
以下用附图说明本发明的实施例。
实施例1
本实施例中，说明能够判断空转中的交流电动机的旋转状态的电力转换装置的结构的一例。作为具体可以考虑的本发明的应用例，例如，在为了风扇用途使用交流电动机的情况下，在交流电动机因外力(风等)而空转中，电力转换装置停止，不能够得知交流电动机的旋转状态。通过应用本发明，能够选择交流电动机空转中的情况下的起动方法、交流电动机停止中的情况下的起动方法，无需担心起动失败。
图1是实施例1中的电力转换装置的结构图的一例。驱动永磁体同步电动机105的电力转换装置101具有平滑电容器102、电力转换器103、电流检测器104和控制装置106。
平滑电容器102是用于使直流电压平滑化的平滑电容器，但也可以不进行平滑而直接输入直流电压。电力转换器103与半导体开关元件的通/断的组合相应地，将直流电压转换为任意的电压。
电流检测器104例如是分流电阻或霍尔CT，检测电力转换器103的三相输出电流。也可以仅检测两相，根据三相交流的总和为零，计算剩余的一相。另外，也可以在电力转换器103的输入的正极或负极配置分流电阻，根据分流电阻中流过的电流推测三相输出电流。
控制装置106具有交流电动机控制部107、交流电动机状态判断部108、栅极信号控制部109、设定部110。交流电动机控制部107为了任意控制永磁体同步电动机105的速度或转矩，而输出基于三相输出电流的电压指令。
交流电动机状态判断部108从设定部110接收交流电动机状态判断值、交流电动机常数设定值等各设定值、由电流检测器104检测到的三相输出电流，在从指令部111接收了旋转状态判断实施指令时，对交流电动机控制部107输出永磁体同步电动机105的旋转状态，并且对栅极信号控制部109输出切断指令。本实施例的结构中，在电力转换装置101外构成指令部111，但也可以在电力转换装置101内构成。
栅极信号控制部109从交流电动机控制部107接收电压指令，为了对永磁体同步电动机105施加基于电压指令的电压而控制半导体开关元件的通/断。另外，栅极信号控制部109从交流电动机状态判断部108接收切断指令时，为了对永磁体同步电动机105中断施加电压而使半导体开关元件全部关断。
图2是图1所示的电力转换装置的交流电动机状态判断部108的结构图的一例。对交流电动机状态判断部108例如输入三相输出电流iu、iv、iw的情况下，用峰值电流生成部201生成峰值电流。
交流电动机状态判断处理部203，用图2的峰值电流生成部201生成的峰值电流、交流电动机常数等作为输入，输出旋转状态判断结果、测定状态。与测定状态相应地，在电压施加处理部202中，输出任意的电压的施加指令或者切断指令。此时，施加的任意的电压可以是直流电压或交流电压。另外，施加的电压也能够由用户用参数等任意决定。
图3是图2所示的电力转换装置的交流电动机状态判别部108内的交流电动机状态判断处理部203的结构处理的一例。作为交流电动机状态判断处理部203的内部处理，例如，首先用交流电动机状态判断值判定处理部304判定峰值电流是否在判断值以上或超过。交流电动机状态判断值的判断，可以是以上或超过任意一方，也可以由用户用参数等任意设定决定该判定。判定结果是“是(YES)”的情况下，用旋转中处理部305判定为旋转中。另外，判定结果是“否(NO)”的情况下，用交流电动机状态判断时间判定处理部307判定是否在判断值以上或超过。交流电动机状态判断时间的判断，可以是以上或超过任意一方，也可以由用户用参数等任意设定决定该判定。判定结果是“是(YES)”的情况下，用非旋转中处理部308判定为非旋转中。另外，判定结果是“否(NO)”的情况下，用测定中处理部309判定为测定中。接着，用旋转状态判断结束判定处理部306判定是否已判断。判定结果是“是(YES)”的情况下，经由测定结束处理部310对命令部311输出切断命令，从命令部311对图2的电压施加处理部202输出切断命令并同时输出旋转状态判断结果。判定结果是“否(NO)”的情况下，经由测定继续处理部312对命令部311输出施加命令，从命令部311对图2的电压施加处理部202输出施加命令而继续测定。
此处，对交流电动机状态判断值判定处理部304中使用的交流电动机状态判断值和交流电动机状态判断时间判定处理部307中使用的交流电动机状态判断时间进行说明。
例如，能够用式1决定与作为交流电动机常数预先得知的感应电压常数Ke和要求的频率相应的电压。此处，要求的频率例如可以是永磁体同步电动机105中的基础频率的10％，或者可以由用户用参数等任意设定决定。
式1中，Ke是永磁体同步电动机105的感应电压常数，f是要求的频率。
[式1]
VJ＝2πkef
图4是表示实施例1中的施加任意的电压的电力转换装置与永磁体同步电动机105的关系的简易的一相的等价电路图的一例。图4中，VI是任意的施加电压，R是永磁体同步电动机105的绕组电阻，L是永磁体同步电动机105的绕组电感，VM是由永磁体同步电动机105发生的感应电压。另外，此时的电流I因任意的施加电压VI与由永磁体同步电动机105发生的感应电压VM的差和永磁体同步电动机105的绕组电阻R、绕组电感L而流过。
图5是表示实施例1中的在永磁体同步电动机105旋转中施加电压VI时流过的电流与时间的关系的一例。其中，图中的VM是感应电压的有效值或峰值。施加任意的电压时，经过一定时间后，流过与任意的施加电压和永磁体同步电动机105发生的感应电压对应的电流。此时，成长至流过的电流的约63％的值的时间即时间常数τ能够使用电动机常数用式2导出。
式2中，L是永磁体同步电动机105的绕组电感，R是永磁体同步电动机105的绕组电阻。
[式2]
其中，图5示出了简易的一相的等价电路中的、施加直流电压时的一例，但在二相或三相这样的多相交流的情况下，通过设施加电压的范数为VI，感应电压的范数为VM，能够同样考虑。
如上所述，利用图5的关系时，交流电动机状态判断值能够设为根据任意施加的电压与由永磁体同步电动机105发生的感应电压的电压差值和永磁体同步电动机105的绕组电阻R导出的值的约63％的值。此处，交流电动机状态判断值可以使用式1决定，也可以由用户用参数等任意地设定该判断值。
交流电动机状态判断时间能够设为用式2导出的值的时间常数τ。交流电动机状态判断时间可以用式2决定，也可以由用户用参数等设定该判断时间。
图6是实施例1中的对永磁体同步电动机105施加考虑了交流电动机状态判断值的电压时的电流与时间的关系图的一例。其中，图6在同一图中示出了永磁体同步电动机105高速旋转时的电流与时间的关系、和低速旋转时的电流与时间的关系。图6中，IJ是用式1导出的交流电动机状态判断值。
低速时，由永磁体同步电动机105发生的感应电压较小，所以流过的电流较小，即使经过时间常数τ也在交流电动机状态判断值以下或不足。即，将用式1设定的频率设为其以下的旋转判断为停止的停止判断频率，表示正在以该频率以下或不足地旋转，能够判断为非旋转。
另一方面，高速时，由永磁体同步电动机105发生的感应电压较大，所以流过的电流较大，在经过时间常数τ之前达到交流电动机状态判断值以上或超过。即，表示正在以用式1设定的频率以上或超过地旋转，能够判断为旋转中。
此处，使用具体的数值例说明在交流电动机状态判断值中判断为停止的频率与施加的任意的电压的相关性。例如，说明将永磁体同步电动机105的停止判断频率设为10Hz的情况。此时，判断为停止的频率可以由用户用参数等任意决定，也可以在本处理内部预先设置。关于施加的电压，例如根据上述停止判断频率和式1运算相当于5Hz的电压，将其设为VI对永磁体同步电动机105施加。另外，交流电动机状态判断值IJ设为根据施加的电压VI和永磁体同步电动机105的绕组电阻R导出的值的约63％的值。作为具体的数值条件，为了便于说明而将永磁体同步电动机105的绕组电阻R、永磁体同步电动机105的绕组电感L、永磁体同步电动机105的感应电压常数Ke设为1。
图7是实施例1中特定条件时的与永磁体同步电动机105的旋转频率相应的电流成长图的一例。图7中，交流电动机状态判断时间τ根据上述条件和式2是1s。可知永磁体同步电动机105的旋转频率比10Hz高的情况下，在经过交流电动机状态判断时间τ之前超过交流电动机状态判断值IJ。由此，能够判断为旋转中。另外，永磁体同步电动机105的旋转频率比10Hz低的情况下，在经过交流电动机状态判断时间τ时不超过交流电动机状态判断值IJ。由此，能够判断为非旋转。例如，永磁体同步电动机105的旋转频率是5Hz的情况下，永磁体同步电动机105的感应电压与施加的相当于5Hz的电压Vi抵消，所以电流值是0。上述具体例中，在决定判断为停止的频率之后导出施加的电压，但也能够根据施加的电压反推求出判断为停止的频率。
图8是实施例1中的对电力转换装置的交流电动机状态判断值和交流电动机状态判断时间设置任意阈值的情况下的施加电压与电流的关系图。能够将交流电动机状态判断负阈值801设为例如图5的交流电动机状态判断值的-5％，交流电动机状态判断正阈值802设为例如图5的交流电动机状态判断值的+5％。同样，能够将交流电动机状态判断负时间阈值803设为例如用式2导出的交流电动机状态判断时间的-5％，交流电动机状态判断正时间阈值804设为例如用式2导出的交流电动机状态判断时间的+5％。在用各阈值设定的范围内(±5％)，能够分别判断为与状态判断值、状态判断时间相同的值，能够进行考虑了测定误差等的判断。其中，交流电动机状态判断负阈值801和交流电动机状态判断正阈值802、交流电动机状态判断负时间阈值803和交流电动机状态判断正时间阈值804可以是相同的值或者不同的值。交流电动机状态判断负阈值801和交流电动机状态判断正阈值802、交流电动机状态判断负时间阈值803和交流电动机状态判断正时间阈值804也可以由用户用参数等任意设定。
以上，根据通过施加任意的电压而流过的电流值在直到交流电动机状态判断时间时是否在交流电动机状态判断值以上或超过，能够判断旋转状态。
另外，能够根据判断结果，选择永磁体同步电动机105的重新起动方法。作为具体的重新起动方法的例子，有使输出的频率从0Hz起重新起动的方法和与转子的频率、相位、旋转方向一致地重新起动的方法。例如，如果旋转状态判断结果是非旋转中则从0Hz起逐渐提高频率地重新起动。通过采用这样的重新起动方法，因为不需要取得永磁体同步电动机105的旋转频率，所以能够更快地重新起动。另外，例如，如果旋转状态判断结果是旋转中则能够与转子空转中的频率、相位、旋转方向一致地重新起动。通过采用这样的重新起动方法，能够不对永磁体同步电动机105施加过度负荷地平滑地重新起动。
实施例2
本实施例中，对于与实施例1共通的部分，使用相同的符号说明，对于不同的部分详细说明。
图9是本实施例的结构图的一例。驱动感应电动机905的电力转换装置901具有平滑电容器102、电力转换器103、电流检测器104和控制装置906。控制装置906具有交流电动机控制部107、交流电动机状态判断部908、栅极信号控制部109和设定部910。
交流电动机状态判断部908从设定部910接收交流电动机状态判断设定值、交流电动机状态判断时间设定值等各设定值、三相输出电流，从指令部111接收旋转状态判断实施指令时，对交流电动机控制部107输出感应电动机905的旋转状态，并且对栅极信号控制部109输出切断指令。
图10是交流电动机状态判断部908的结构图的一例。作为交流电动机状态判断部908的内部处理，例如，首先用交流电动机状态判断值判定处理部1004判定峰值电流值是否在设定值以上或超过。交流电动机状态判断设定值的判断，可以是以上或超过任意一方，也可以由用户用参数等任意设定决定。判定结果是“是(YES)”的情况下，用旋转中处理部305判定为旋转中。另外，判定结果是“否(NO)”的情况下，用交流电动机状态判断时间判定处理部1007判断是否在设定值以上或超过。交流电动机状态判断时间的判断，可以是以上或超过任意一方，也可以由用户用参数等任意设定决定。判定结果是“是(YES)”的情况下，用非旋转中处理部308判定为非旋转中。另外，判定结果是“否(NO)”的情况下，用测定中处理部309判定为测定中。
本实施例的图10中，以下的感应电动机905的旋转状态判断方法与实施例1相同，所以省略。此处，对转子空转中感应电动机905施加的电压，可以如实施例1一般用式1导出，也可以施加由用户用参数等任意设定的值。
交流电动机状态判断处理部1003内的交流电动机状态判断值判定处理部904的交流电动机状态判断设定值，可以如实施例1一般根据交流电动机常数导出，也可以使用由用户用参数等任意设定的值。另外，交流电动机状态判断时间判定处理部1007的交流电动机状态判断时间设定值也同样地可以根据交流电动机常数导出，也可以使用由用户用参数等任意设定的值。
判断交流电动机的旋转状态之后，例如，交流电动机状态判断部908用通信等对图9的显示部909通知交流电动机旋转状态判断结果信息而使其显示交流电动机旋转状态。另外，交流电动机状态判断部908对交流电动机旋转状态输出部910通知交流电动机旋转状态，交流电动机旋转状态输出部910为了通知交流电动机旋转状态而输出交流电动机旋转状态信号，经由端子等对外部通知。
以上，主要设想交流电动机是一般的能够用一阶滞后系统表达的，使用时间常数τ和稳态值的约63％进行了说明，但本发明不限于此，例如，也能够考虑，使用达到稳态值的10％至90％的时间、即上升时间代替时间常数τ，或使用稳态值的50％代替稳态值的约63％这样的各种变形。
其中，上述实施方式中说明了应用于永磁体同步电动机和感应电动机的情况，但也能够应用于例如交流电动机或直流电动机、转子中不使用永磁体的同步电动机这样的，在未发生感应电压的状态下，因外力而旋转或停止的电动机。例如，感应电动机的情况下，即使因外力而旋转，残留电压也随时间经过而消失。本发明中，在这样的情况下，也通过从电力转换装置对电动机施加电压，而能够检测来自电动机的电流，能够判断旋转状态。
本发明不限定于上述实施例，包括各种变形例。例如，上述实施例是为了易于理解地说明本发明而详细说明的，并不限定于必须具备说明的所有结构。另外，能够将某个实施例的结构的一部分置换为其他实施例的结构，或者能够在某个实施例的结构上添加其他实施例的结构。另外，对于各实施例的结构的一部分，能够追加、删除、置换其他结构。
另外，上述各结构、功能、处理部、处理单元等的一部分或全部，例如可以通过集成电路设计等而用硬件实现。另外，上述各结构、功能等，也可以通过处理器解释、运行实现各功能的程序而用软件实现。实现各功能的程序、表、文件等信息，能够保存在存储器、硬盘、SSD(Solid State Drive：固态硬盘)等记录装置、或者IC卡、SD卡、DVD等记录介质中。
另外，控制线和信息线示出了认为说明上必要的，并不一定示出了产品上所有的控制线和信息线。实际上也可以认为几乎所有结构都相互连接。
符号说明
101…电力转换装置、
102…平滑电容器、
103…电力转换器、
104…电流检测器、
105…永磁体同步电动机、
106…控制装置、
107…交流电动机控制部、
108…交流电动机状态判断部、
109…栅极信号控制部、
201…峰值电流生成部、
202…电压施加处理部、
203…交流电动机状态判断处理部、
304…交流电动机状态判断值判定处理部、
305…旋转中处理部、
306…旋转状态判断结束判定处理部、
307…交流电动机状态判断时间判定处理部、
308…非旋转中处理部、
309…测定中处理部、
310…测定结束处理部、
311…命令部
312…测定继续处理部
801…交流电动机状态判断负阈值、
802…交流电动机状态判断正阈值、
803…交流电动机状态判断负时间阈值、
804…交流电动机状态判断正时间阈值、
901…电力转换装置、
905…感应电动机、
906…控制装置、
908…交流电动机状态判断部、
909…显示部、
910…交流电动机旋转状态输出部、
1003…交流电动机状态判断处理部、
1004…交流电动机状态判断值判定处理部、
1007…交流电动机状态判断时间判定处理部。

Claims (13)

1.一种电力转换装置，其特征在于，包括：
电力转换器，其将直流或交流的电压转换为任意的电压来驱动电动机；
控制装置，其控制所述电力转换器对该电动机施加任意的电压；和
检测或推测该电动机中流动的电流的电流检测器，
所述控制装置在该电动机空转或停止时对该电动机施加电压，在经过了作为时间常数的状态判断时间时，通过对由所述电流检测器检测到或推测出的电流值与基于施加的电压计算出的状态判断值进行比较来判断该电动机的旋转状态，其中，所述状态判断时间是利用施加到该电动机的电压的电压值和该电动机的电动机常数计算出的时间。
2.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：
在该电动机空转或停止时从所述电力转换器对该电动机施加的电压，具有基于该电动机的电动机常数和停止判断频率计算出的电压值。
3.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：
由所述电流检测器检测到或推测出的电流值在所述状态判断值以上时，判断为该电动机处于空转状态。
4.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：
由所述电流检测器检测到或推测出的电流值不到所述状态判断值时，判断为该电动机处于停止状态。
5.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：
对于所述状态判断时间，在其附近至少设置1个阈值。
6.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：
对于所述状态判断值，在其附近至少设置1个阈值。
7.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：
根据该电动机的旋转状态的判断结果选择该电动机的重新起动方法。
8.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，包括：
显示电力转换装置的信息的显示部；和
对外部输出电力转换装置的信息的输出部，
在所述显示部显示或从所述输出部对外部输出由所述控制装置判断得到的关于该电动机的旋转状态的信息。
9.一种电力转换方法，其特征在于，包括：
将直流或交流的电压转换为任意的电压的步骤；
控制电力转换器对电动机施加任意的电压的步骤；
检测或推测该电动机中流动的电流的步骤；和
在该电动机空转或停止时对该电动机施加电压，在经过了作为时间常数的状态判断时间时，通过对检测到或推测出的电流值与基于施加的电压计算出的状态判断值进行比较来判断该电动机的旋转状态的步骤，其中，所述状态判断时间是利用施加到该电动机的电压的电压值和该电动机的电动机常数计算出的时间。
10.如权利要求9所述的电力转换方法，其特征在于：
在该电动机空转或停止时对该电动机施加的电压，具有基于该电动机的电动机常数和停止判断频率计算出的电压值。
11.如权利要求9所述的电力转换方法，其特征在于：
检测到或推测出的电流值在所述状态判断值以上时，判断为该电动机处于空转状态，检测到或推测出的电流值不到所述状态判断值时，判断为该电动机处于停止状态。
12.如权利要求9所述的电力转换方法，其特征在于：
包括根据该电动机的旋转状态的判断结果选择该电动机的重新起动方法的步骤。
13.如权利要求9所述的电力转换方法，其特征在于：
包括显示或者对外部输出判断得到的关于该电动机的旋转状态的信息的步骤。
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