CN107852120B - 电力转换装置以及电动机驱动装置、制冷装置 - Google Patents

电力转换装置以及电动机驱动装置、制冷装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力转换装置以及电动机驱动装置、制冷装置，不需要追加电路，在过调制时也能够实现有效的电流差拍。该电动机驱动装置(50)具备：整流电路(2)，其将来自交流电源(1)的交流电压转换为直流电压；平滑电容器(3)，其将整流电路(2)的输出即直流电压进行平滑处理；逆变电路(4)，其将平滑电容器(3)的输出即直流电压转换为交流电压；以及控制器(6)，其通过PLL(Phase Locked Loop：锁相环)处理来推定逆变电路(4)的输出电流中的电流差拍成分的频率以及相位、振幅，并根据推定出的上述频率以及相位、振幅来修正对逆变电路(4)的电压指令，由此降低电流差拍成分。

Description

电力转换装置以及电动机驱动装置、制冷装置
技术领域
本发明涉及一种电力转换装置以及电动机驱动装置、具备电力转换装置以及电动机驱动装置的制冷装置。特别涉及以下技术，即在使用将直流电压转换为交流电压的逆变器来驱动电动机的电动机驱动装置中，抑制由于直流电压的电压纹波的影响而产生的低频电流差拍，并降低电动机的转矩纹波和振动/噪音。
背景技术
由将交流电源的交流电压转换为直流电压的整流电路、将直流电压转换为交流电压的逆变器构成的电动机驱动装置在空调等制冷设备和工业装置中广泛普及。
在通过二极管整流电路将单相或3相的交流电压转换为直流电压的情况下，在直流电压中产生对输入到整流电路中的交流电压的频率(fs)具有2倍或6倍频率成分的电压纹波。如果扩大与整流电路的输出侧连接的平滑电容器容量则能够降低该电压纹波，但是会有成本和体积增加的问题。
当直流电压存在电压纹波时，由于直流电压的检测延迟和逆变器控制器的运算延迟等的影响，逆变器的输出电压中除了逆变器的输出频率(f1)成分以外，还包括直流电压纹波频率(fr)成分和逆变器的输出频率成分之间的“差的频率成分”(|fr-f1|)。
如果逆变器的输出频率和直流电压纹波频率接近，则在通过逆变器驱动的电动机绕组的电阻值和电感小的情况下，通过上述的“差的频率成分”产生大的脉动电流，并产生电动机的输出扭矩脉动的差拍现象。特别是在逆变器的过调制区域中存在不能够调整输出电压幅度的区间，因此该差拍现象变得显著。
关于该差拍现象的抑制方式，例如在专利文献1(日本特开2004-104898号公报)中公开了以下方法，即检测旋转坐标系的γ-δ轴电流的高频成分，运算3相的相电流差拍成分，放大该运算值，并修正3相的电压指令值。
另外，在专利文献2(日本特开2008-167568号公报)中公开一种方法，即通过对电动机电流的检测值进行正弦(sin)信号和余弦(cos)信号的乘法运算等处理来修正逆变器的输出电压值，并抑制电流差拍。
在专利文献3(日本特开2015-42010号公报)中还公开一种方法，即通过将逆变器的各相输出电压进行周期积分处理来检测低频的脉动成分，并修正各相电压指令。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004-104898号公报
专利文献2：日本特开2008-167568号公报
专利文献3：日本特开2015-42010号公报
发明内容
发明要解决的问题
上述专利文献1(日本特开2004-104898号公报)中记载的方法为，使用高通滤波器或低通滤波器从电动机电流的检测信号抽出电流差拍成分，通过放大器计算差拍补偿电压的简单控制结构，但是在电流检测信号中有噪音或失真的情况下，补偿电压也出现同样的噪音或失真，控制系统有可能变得不稳定。特别是针对由于负荷急剧变化引起的电动机电流急剧变化，有可能产生控制的错误动作。另外，该方法有以下缺点，即只要放大器的增益不是无限大，原理上会剩余电流差拍成分。
另一方面，专利文献2(日本特开2008-167568号公报)中记载的方法，代替高通滤波器或低通滤波器，通过正弦(sin)信号和余弦(cos)信号的乘法运算等处理根据电动机电流的检测信号计算补偿电压，修正逆变器的电压指令值，并抑制电流差拍。该方法中，通过正弦(sin)信号和余弦(cos)信号的乘法运算，差拍补偿电压中只剩余拍频成分，因此控制的稳定性高，但是会有在过调制时逆变器的输出电压饱和因此修正效果降低的缺点。即，将补偿成分和逆变器的输出电压指令相加，但是在过调制的情况下，输出电压成为饱和状态，不能够输出这以上的电压，因此不能得出加上修正量后的输出电压。
另外，专利文献3(日本特开2015-42010号公报)中公开一种通过电压检测电路直接检测逆变器的输出电压的脉动成分并计算差拍补偿电压的方法，但是需要高精度的电压检测电路。
因此，本发明提供一种电力转换装置以及电动机驱动装置、制冷装置，使用PLL(Phase_Locked Loop锁相环)处理，不需要高通滤波器和电压检测电路等追加结构，在过调制时也能够实现有效的电流差拍的抑制。
用于解决问题的方法
为了解决上述问题，本发明为一种电力转换装置以及电动机驱动装置、制冷装置，具备：整流电路，其将来自交流电源的交流电压转换为直流电压；平滑电容器，其将该整流电路的输出即直流电压进行平滑；逆变电路，其将该平滑电容器的输出即直流电压转换为交流电压；以及控制部，其通过PLL(Phase_Locked Loop锁相环)处理来推定上述逆变电路的输出电流中的电流差拍成分的频率以及相位、振幅，并根据推定出的上述频率以及相位、振幅来修正对上述逆变电路的电压指令，由此降低上述电流差拍成分。
在用于实施发明的方式中说明其他方法。
发明的效果
根据本发明，能够提供一种电力转换装置以及电动机驱动装置、制冷装置，不需要高通滤波器和电压检测电路等追加结构，在过调制时也能够实现有效的电流差拍的抑制。
附图说明
图1是本发明实施例1的电动机驱动装置的结构图。
图2是本发明实施例1的电动机驱动装置控制部的功能块结构图。
图3是本发明实施例1的电动机驱动装置的控制轴、电动机旋转轴。
图4是本发明实施例1的电动机驱动装置的差拍抑制控制器的结构图。
图5是本发明实施例1的电动机驱动装置的PLL控制器的结构图。
图6是本发明实施例1的电动机驱动装置的电流和电压波形。
图7是本发明实施例1的电动机驱动装置的电流和电压波形。
图8是本发明实施例1的电动机驱动装置的表示差拍抑制效果的电流和电压波形。
图9是本发明实施例2的电动机驱动用模块的外观图。
图10是本发明实施例3的制冷设备的结构图。
具体实施方式
[实施例1]
以下，说明本发明的实施例1。
(整体结构)
图1是表示实施例1的电动机驱动装置50的整体结构的图。本实施例的电动机驱动装置50具备整流电路2，其与交流电源1连接，将来自交流电源1的交流电压转换为直流电压。平滑电容器3与整流电路2的直流输出端子连接，对整流电路2的输出即直流电压进行平滑处理。逆变电路4根据平滑电容器3的输出即直流电压和来自控制器6的PWM控制信号输出电压，并对电动机5的转速进行可变驱动。实施例1的电动机驱动装置50也可以是将从交流电源1提供的交流电力转换为其他交流电力的电力转换装置。
母线电流检测电路7通过设置在平滑电容器3和逆变电路4之间的分流电阻和放大器来检测逆变电路4的直流电流(母线电流)。另外电动机驱动装置50具备控制逆变电路4的控制器6和直流电压检测电路8而构成。另外，控制器6使用微型计算机或DSP(数字信号处理器)等半导体运算元件。
(控制器结构)
图2是表示逆变电路4的控制器6的结构的图，通过CPU(计算机)以及存储在存储部中的控制程序来实现各功能。控制器6通过向量控制来运算施加在电动机5上的电压指令信号，并生成逆变电路4的PWM控制信号，控制器6具备速度控制器10、d轴电流指令发生器11、电压控制器12、2轴/3相转换器13、指令电压调整器14、速度&相位推定器15、3相/2轴转换器16、电流再现运算器17、PWM控制器18以及差拍抑制控制器19。
电流再现运算器17使用从母线电流检测电路7输出的检测信号(Ish)、三相电压指令值(Vu2*、Vv2*、Vw2*)来再现逆变电路4的输出电流(Iu、Iv、Iw)。这里，为了降低电路成本，采用从母线电流再现三相电流的方式，但是也可以使用电流传感器等单元直接检测三相的输出电流(Iu、Iv、Iw)。
图3是表示本实施例的电动机驱动装置50的控制轴、电动机旋转轴的图，dc-qc轴是控制系统的推定轴，d-q轴是电动机转子轴。d-q轴和dc-qc轴偏离误差Δθc。并且图2所示的3相/2轴转换器16根据所再现的三相输出电流(Iu、Iv、Iw)、通过速度&相位推定器15推定的相位信息(θdc)，根据公式(1)运算dc轴电流(Idc)和qc轴电流(Iqc)。
[公式1]
Figure BDA0001527166920000051
Figure BDA0001527166920000052
速度控制器10根据来自外部的速度指令值(f*)，通过该速度指令值(f*)和推定速度(f1)之间的差值来生成q轴电流指令值(Iqc*)。另外，d轴电流指令发生器11为了将电动机电流最小化而产生d轴电流指令值(Idc*)
电压控制器12使用从d轴电流指令发生器11赋予的d轴电流指令值(Idc*)、从速度控制器10赋予的q轴电流指令值(Iqc*)、dc轴电流检测值Idc、qc轴电流检测值Iqc、电动机常数来运算dc轴电压值Vdc*和qc轴电压指令值Vqc*。
2轴/3相转换器13使用通过运算计算出的dc轴电压指令值Vdc*和qc轴电压指令值Vqc*、来自速度&相位推定器15的相位信息(θdc)，来计算三相指令电压(Vu*、Vv*、Vw*)。将其表示为公式(2)。
(公式2)
Figure BDA0001527166920000053
Figure BDA0001527166920000054
速度&相位推定器15内的处理和专利文献2所公开的处理相同，这里省略详细的说明。通过该控制可以没有电动机5的转子位置传感器，所以能够降低驱动系统整体的成本。当然，也可以采用编码器等转子位置传感器来始终检测转子的位置信息。
指令电压调整器14使用来自差拍抑制控制器19的运算量(Vub*、Vvb*Vwb*)来修正三相指令电压(Vu*、Vv*、Vw*)并输入给PWM控制器18。后面详细说明差拍抑制控制器19的运算方法。
最后，PWM控制器18使用来自直流电压检测电路8的直流电压信号(Ed)，计算调制率并生成逆变电路4的PWM(Pulse width modulation：脉冲宽度调制)控制信号。逆变电路4的半导体开关元件(IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)和功率MOS(Metal-oxide-semiconductor：金属氧化物半导体)等)根据上述PWM控制信号进行开/关动作，并从各相的输出端子输出脉冲状的电压(振幅值根据直流电压而变化，宽度根据PWM信号而变化)。
图4是说明差拍抑制控制器19的详细结构的图。最初差拍抑制控制器19使用2轴/3相转换器20，将dc-qc轴的电流指令(Idc*、Iqc*)转换为三相电流指令(Iu*、Iv*、Iw*)。将其表示为公式(3)。
(公式3)
Figure BDA0001527166920000061
Figure BDA0001527166920000062
进而差拍抑制控制器19通过检测出的三相电流信号(Iu、Iv、Iw)和三相电流指令(Iu*、Iv*、Iw*)之间的差值运算来计算各相的电流差拍成分(Iub、Ivb、Iwb)。将其表示为公式(4)。
(公式4)
Figure BDA0001527166920000071
接着，差拍抑制控制器19使用3相/2轴转换器21计算差拍旋转轴(db-qb轴)的电流分量(Idb、Iqb)。将其表示为公式(5)。这里，差拍旋转轴(db-qb轴)被定义为与上述控制轴(dc-qc轴)以及电动机轴(d-q轴)无关系的坐标系，通过PLL处理器22来调整该差拍旋转轴的相位(θb)。
(公式5)
Figure BDA0001527166920000072
Figure BDA0001527166920000073
PLL处理器22的详细结构如图5所示。PLL处理器22将差拍旋转轴的db轴电流分量(Idb)输入给PI控制器25并计算拍频的调整量(Δfb)。PLL处理器22根据该调整量(Δfb)、通过推定速度(f1)以及事先设定的直流电压纹波频率(fr0)之间的差值计算出的拍频的理论值(fb0)而得到拍频(fb)，并且使用积分器26来计算差拍旋转轴的相位(θb)。另外，也可以用速度指令(f*)代替推定速度(f1)输入到PLL处理器22中。
这里，直流电压纹波频率(fr0)是根据电源频率(50/60Hz)和交流相数而事先设定的。当事先不知道电源频率时，能够通过PLL处理器22修正频率的设定误差，因此也可以设定为使直流电压纹波频率(fr0)与两种电源频率的中间值(55Hz)对应。于是，在产品出货或设置时，不需要电源频率的调整作业。另外，差拍抑制控制器19也能够根据PLL处理器22的频率误差来推定直流电压的纹波频率并检测交流电源频率。
如果通过PLL处理器22的调整，差拍旋转轴的db轴电流分量(Idb)大约为0，则差拍旋转轴的qb轴电流分量(Iqb)相当于电流差拍的大小(振幅值)。另外，通过比较qb轴电流分量(Iqb)的大小和预定值，能够判定电流差拍现象的产生。因此，差拍抑制控制器19为了抑制电流差拍，通过PI控制器23来处理差拍旋转轴的qb轴电流分量(Iqb)和0之间的差值，计算电压修正量的qb轴分量(Vqb*)。
另外，这里使用PI控制器23，通过比例积分控制计算出电压修正量的qb轴分量(Vqb*)，但是也可以代替该PI控制器23而通过比例控制器或积分控制器的任意一个控制器来计算。如果使用PI控制器或积分控制器，则理论上恒定状态的电流差拍能够完全消失。
最后，差拍抑制控制器19使用2轴/3相转换器24，根据电压修正量的db轴分量(Vdb*)和电压修正量的qb轴分量(Vqb*)以及差拍旋转轴的相位(θb)来计算三相的电压修正量(Vub*、Vvb*、Vwb*)。将其表示为公式(6)。这里，电压修正量的db轴分量(Vdb*)被设定为0。其理由为，db轴电流分量(Idb)大约为0，拍频低，因此针对差拍成分，电动机的绕组电阻的影响为主要要素，因此电压和电流的关系大约为线形关系。
[公式6]
Figure BDA0001527166920000081
Figure BDA0001527166920000082
接着，说明通过电压修正量(Vub*、Vvb*、Vwb*)抑制电流差拍的原理。
图6表示在没有差拍抑制控制(电压修正量(Vub*、Vvb*、Vwb*)为0)时的PWM控制器18的U相调制波波形30(Mu＝Vu2*/(Ed/2))和载波31、直流电压波形32、U相电压波形33和U相电流波形34。PWM控制器18通过比较U相调制波波形30和三角波的载波31而产生U相的PWM脉冲，并控制U相电压波形33。这里，为了容易理解，U相电压波形33表示U相输出端子和直流电压的假想中性点之间的电压波形。
在图6的直流电压波形32高的区间(例如时间轴的1.298s前后)，U相电压波形33的绝对值增大，相反在直流电压波形32低的区间(例如时间轴的1.296s前后)，U相电压波形33的绝对值变小。换言之，在U相电压波形33的大小中也同样出现直流电压波形32的变动。
如图6所示，在U相调制波波形30比载波31的正峰值高的区间或U相调制波波形30比载波31的负峰值低的区间，不能够进行U相电压波形33的脉冲宽度调整。因此，当直流电压波形32的脉动频率接近U相电压波形33的频率时，如果U相电压波形33的正电压输出区间和直流电压波形32高的区间以及U相电压波形33的负电压输出区间和直流电压波形32低的区间同步，则在U相电压波形33中出现正的平均成分。由于其影响，在U相电流波形34中也出现正的平均成分。
相反，如果U相电压波形33的正电压输出区间和直流电压波形32低的区间以及U相电压波形33的负电压输出区间和直流电压波形32高的区间同步，则在U相电压波形33中出现负的平均成分。由于其影响，在U相电流波形34中也出现负的平均成分。
图7是表示通过电压修正量(Vub*、Vvb*、Vwb*)抑制差拍的效果的波形。图7的U相调制波波形30是加上了电压修正量(Vub*、Vvb*Vwb*)之后的调制波的波形。通过电压修正量(Vub*、Vvb*、Vwb*)的修正，偏压分量与调制波重叠。
例如，如图7所示，当U相电压修正量(Vub*)为负时，U相调制波波形30向负方向偏移，U相电压波形33为正的宽度变窄，U相电压波形33为负的宽度变宽。其结果为，在直流电压波形32高的区间(例如时间轴的1.972s前后)，U相电压波形33为正的宽度变窄。相反，在直流电压波形32低的区间(例如时间轴的1.977s前后)，U相电压波形33为负的宽度变宽。这样，U相电压波形33的平均成分通过U相电压修正量(Vub*)进行调整(补偿)，能够抑制电流差拍。
图8是表示上述电压修正的效果的波形，表示U相电流波形40、U相电流差拍波形41、差拍旋转轴相位波形42、电压修正量的qb轴分量波形43以及U相电压修正量波形44。U相电流差拍波形41是U相电流差拍成分(Iub)的波形。差拍旋转轴相位波形42是差拍旋转轴的相位(θb)的波形。电压修正量的qb轴分量波形43是电压修正量的qb轴分量(Vqb*)的波形。U相电压修正量波形44是U相的电压修正量(Vub*)的波形。能够确认从时间轴的0.4s开始通过加上本实施例的电压修正量(Vub*)，大幅地抑制了电流差拍成分(Iub)。
图9是本发明实施例2的电动机驱动用模块51的外观图。表示最终产品的一个形态。
电动机驱动用模块51是在控制部基板101上搭载了半导体开关元件102的电动机驱动装置50用的模块，控制部基板101直接安装有图1记载的母线电流检测电路7、直流电压检测电路8以及控制器6等，逆变电路4被安装为集成一个芯片的半导体开关元件102。通过模块化，能够达到小型化，降低成本。
另外，模块表示“标准化的结构单位”，由能够分离的硬件/软件的部件构成。另外，制造上最好是在相同基板上构成，但是不限定于相同基板。这样，也可以在内置在相同外壳中的多个电路基板上构成。
根据本实施方式，通过使用第一实施例的电动机驱动装置50，在使用小容量的平滑电容器3时即使有直流电压的电压纹波，也能够抑制电动机电流的低频脉动(差拍)，并确保高的驱动性能。另外，通过降低平滑电容器3的容量，能够代替电解电容器而使用小容量/寿命长的薄膜电容器。
[实施例3]
图10表示本发明第三实施例的空调机和制冷机等制冷设备200的结构图。制冷设备200是调节空气温度的装置，通过制冷剂配管206连接室外机210和室内机220等而构成。这里室外机210具备进行制冷剂和空气的热交换的室外热交换器202、将空气送风到该室外热交换器202的室外风扇204、压缩制冷剂并使之循环的压缩机205。室内机220具备进行制冷剂和空气的热交换的室内热交换器201、将空气送风到该室内热交换器201的室外风扇204。
另外，压缩机205在内部具有具备了永磁铁同步电动机的压缩机用电动机5B，通过电动机驱动装置50B来驱动压缩机用电动机5B，由此驱动压缩机205。电动机驱动装置50B将交流电源的交流电压转换为直流电压，提供给电动机驱动用逆变器，并且驱动压缩机用电动机5B。
压缩机205虽然没有详细的图示结构，但是采用回转式压缩机和涡旋式压缩机等，在内部具备压缩机构部，该压缩机构部通过压缩机用电动机5B来驱动。
压缩机构部如果是涡旋式压缩机，则由固定涡旋式和回转涡旋式构成，旋转回转涡旋式相对于固定涡旋式行旋转运动，由此在涡旋期间形成压缩室。
作为该电动机驱动装置50B，使用实施例1的电动机驱动装置50或实施例2的电动机驱动用模块51，从而即使是直流电压的电压纹波也能够抑制电动机电流的低频脉动(差拍)，并能够确保高控制性能。另外，通过电动机电流差拍的抑制，能够进行更高的调制率(过调制)的稳定驱动，所以能够改善逆变器的电压利用率。另外，作为制冷设备200，如果使用实施例1的电动机驱动装置50或实施例2的电动机驱动用模块51，则能够降低产品的振动和噪音。
附图标记说明
1：交流电源、2：整流电路、3：平滑电容器、4：逆变电路、5：电动机、5B：压缩机用电动机、6：控制器(控制部)、7：母线电流检测电路、8：直流电压检测电路、10：速度控制器、11：d轴电流指令发生器、12：电压控制器、13：2轴/3相转换器、14：指令电压调整器、15：速度&相位推定器、16：3相/2轴转换器、17：电流再现运算器、18：PWM控制器、19：差拍抑制控制器、20：2轴/3相转换器、21：3相/2轴转换器、22：PLL处理器、23：PI控制器、24：2轴/3相转换器、25：PI控制器、26：积分器、30：U相调制波波形、31：载波、32：直流电压波形、33：U相电压波形、34：U相电流波形、40：U相电流波形、41：U相电流差拍波形、42：差拍旋转轴相位波形、43：电压修正量的qb轴分量波形、44：U相电压修正量波形、50、50B：电动机驱动装置(电力转换装置)、51：电动机驱动用模块、101：控制部基板、102：半导体开关元件(功率模块)、200：制冷设备、201：室内热交换器、202：室外热交换器、203：室内风扇、204：室外风扇、205：压缩机、206：制冷剂配管。

Claims (6)

1.一种电力转换装置，其特征在于，
该电力转换装置具备：
整流电路，其将来自交流电源的交流电压转换为直流电压；
平滑电容器，其将该整流电路的输出即直流电压进行平滑处理；
逆变电路，其将该平滑电容器的输出即直流电压转换为交流电压；以及
控制部，其通过PLL处理来推定上述逆变电路的输出电流中的电流差拍成分的频率以及相位、振幅，并根据推定出的上述频率以及相位、振幅来修正对上述逆变电路的电压指令，由此降低上述电流差拍成分，
上述控制部通过固定/旋转坐标变换根据上述电流差拍成分来计算db-qb轴的电流分量，使用比例/积分控制器或积分器进行调整使得上述db-qb轴的db轴电流分量为0或接近0，来推定上述电流差拍成分的频率，根据推定出的该频率通过积分运算来推定上述db-qb轴的相位，并将上述db-qb轴的qb轴电流分量推定为上述电流差拍成分的振幅。
2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
上述控制部根据上述逆变电路的上述输出电流和对上述逆变电路的电流指令值之间的差值来计算上述电流差拍成分。
3.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
上述控制部根据推定出的上述频率以及相位、振幅来判定差拍现象的产生，并在产生了上述差拍现象的情况下执行上述电压指令的修正。
4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的电力转换装置，其特征在于，
上述控制部使用比例控制器或积分控制器、比例/积分器，根据db-qb轴的qb轴分量和预定值之间的差值来计算qb轴的电压指令的修正量，使用旋转/固定坐标转换，根据上述修正量和上述db-qb轴的相位来计算三相的电压修正量。
5.一种电动机驱动装置，其特征在于，
具备权利要求1～3中的任意一项所述的电力转换装置，通过上述逆变电路的输出电流来驱动所连接的电动机。
6.一种制冷装置，具备：压缩机，其压缩制冷剂；热交换器，其通过制冷剂和空气进行热交换；以及送风风扇，其使空气在该热交换器中流动，其特征在于，
该制冷装置具备：
设置在上述压缩机中的压缩机用电动机；以及
驱动该压缩机用电动机的权利要求5所述的电动机驱动装置。
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