CN108736792B - 矩阵变换器以及交流电动机的常数确定方法 - Google Patents

矩阵变换器以及交流电动机的常数确定方法 Download PDF

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Abstract

矩阵变换器以及交流电动机的常数确定方法。矩阵变换器(1)具有：电力变换电路(10)，其一侧可经由高频滤波器(15)与交流电源连接，另一侧可与交流电动机(3)连接；缓冲电路(21)，其与将高频滤波器(15)和电力变换电路(10)连接起来的一侧线(4)连接；放电开关(27)，其根据缓冲电路(21)的电压放出蓄积在缓冲电路(21)中的电荷；测试控制部(44)，其根据测试时载波频率控制电力变换电路(10)，以使测试电压被施加给交流电动机(3)；载波频率设定部(51)，其根据放电开关(27)的动作状态变更测试时载波频率；以及常数确定部(45)，其根据交流电动机(3)在被施加测试电压时的响应状态确定交流电动机(3)的常数。

Description

矩阵变换器以及交流电动机的常数确定方法
技术领域
本发明涉及矩阵变换器以及交流电动机的常数确定方法。
背景技术
日本特开2007-151235号公报公开了一种矩阵变换器，该矩阵变换器具有：连接成矩阵状的双向开关元件；缓冲模块，其与该双向开关元件并联连接，具有整流电路；以及放电电路，其与缓冲模块的后级连接，具有彼此串联地连接的开关元件和电阻元件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种容易设置的矩阵变换器。
本发明的一个侧面的矩阵变换器具有：电力变换电路，其一侧能够经由高频滤波器与交流电源连接，另一侧能够与交流电动机连接，用于在一侧与另一侧之间进行双向的电力变换；缓冲电路，其与用于将高频滤波器和电力变换电路之间连接起来的一侧线连接；放电开关，其用于根据缓冲电路的电压放出蓄积在缓冲电路中的电荷；测试控制部，其根据测试时载波频率控制电力变换电路，以使测试电压被施加给交流电动机；载波频率设定部，其根据放电开关的动作状态，变更测试时载波频率；以及常数确定部，其根据交流电动机在被施加测试电压时的响应状态确定交流电动机的常数。
本发明的另一侧面的交流电动机的常数确定方法利用矩阵变换器确定交流电动机的常数，其中，矩阵变换器具有：电力变换电路，其一侧能够经由高频滤波器与交流电源连接，另一侧能够与交流电动机连接，用于在一侧与另一侧之间进行双向的电力变换；缓冲电路，其与用于将高频滤波器和电力变换电路之间连接起来的一侧线连接；以及放电开关，其根据缓冲电路的电压放出蓄积在缓冲电路中的电荷，常数确定方法包含如下步骤：根据测试时载波频率控制电力变换电路，以使测试电压被施加给交流电动机；根据放电开关的动作状态变更测试时载波频率；以及根据交流电动机在被施加测试电压时的响应状态确定交流电动机的常数。
根据本发明，能够提供容易设置的矩阵变换器。
附图说明
图1是包含矩阵变换器的电力系统的示意图。
图2是示出双向开关的一例的图。
图3A和图3B是示出由于谐振的有无而导致的波形差异的示意图。
图4是示出控制部的硬件结构的图。
图5是例示交流电动机的常数确定步骤的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图，对实施方式进行详细说明。在说明中，对相同要素或具有相同功能的要素标记相同的标号，省略重复的说明。
[矩阵变换器]
如图1所示，矩阵变换器1是在包含交流电源的电力系统2与例如交流电动机3等负载之间进行双向的电力变换的装置。电力系统2例如是三相交流的电网。交流电动机3例如是感应电动机，但也可以是同步电动机。矩阵变换器1将从电力系统2输入的交流电力转换为交流电动机3的驱动用的交流电力，将来自交流电动机3的再生电力转换为电力系统2用的交流电力。
矩阵变换器1具有电力变换电路10、高频滤波器15、缓冲电路21、放电电路25、电流传感器31以及控制部40。
电力变换电路10的一侧可经由高频滤波器15与交流电源连接。此外，电力变换电路10的另一侧可与交流电动机3连接。电力变换电路10在上述一侧与另一侧之间进行双向的直接电力变换(不经过直流过程的电力变换)。电力变换电路10包含多个双向开关11。电力变换电路10例如包含连接成3行3列的矩阵状的9个双向开关11。如后述那样，由控制部40经由门驱动器(未图示)控制双向开关11。
关于双向开关11的结构，只要能够控制其导通方向，则没有特别限定。作为双向开关11的结构的一例，如图2所示，可以举出将彼此串联地连接的开关元件(也称作开关元件。)12a以及二极管13a与彼此串联地连接的开关元件12b以及二极管13b以朝向相反的方式并联连接而成的结构。在图2中，二极管13a的阴极与二极管13b的阴极连接，但是，二极管13a的阴极也可以不与二极管13b的阴极连接。开关元件12a、12b例如是绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT))。
高频滤波器15例如是谐波滤波器，设置在电力系统2与电力变换电路10之间。高频滤波器15用于抑制从电力变换电路10侧输出至电力系统2侧的高频的开关噪声。例如，高频滤波器15包含AC电抗器16和电容器17(例如薄膜电容器)，AC电抗器16在电力系统2与电力变换电路10之间设置于交流的各相，电容器17在AC电抗器16和电力变换电路10之间设置于各相与中性点18之间。电容器17也可以在AC电抗器16和电力变换电路10之间设置于交流的相之间。
另外，矩阵变换器1也可以不具有高频滤波器15。在矩阵变换器1不具有高频滤波器15的情况下，也可以将高频滤波器15外置于电力系统2与矩阵变换器1之间。
缓冲电路21与用于将高频滤波器15与电力变换电路10之间连接起来的一侧线4连接，将一侧线4的电力直流化后输入到电容器24中。缓冲电路21还可以与用于将电力变换电路10与交流电动机3之间连接起来的另一侧线5连接，也可以将一侧线4和另一侧线5双方的电力直流化后输入到电容器24中。
缓冲电路21例如包含初级侧二极管桥22、次级侧二极管桥23和电容器24。初级侧二极管桥22对从电力系统2输入的交流电力进行整流(直流化)后输出至电容器24。次级侧二极管桥23对从交流电动机3输入的交流电力进行整流后输出至电容器24。电容器24例如是电解电容器。
缓冲电路21以吸收来自电力系统2侧和交流电动机3侧的冲击电流的方式发挥功能。此外，还将由缓冲电路21生成的直流电力用作电力变换电路10的控制用电力。
放电电路25是用于抑制电容器24的电压上升的电路。放电电路25例如包含电阻26以及与电阻26串联连接的放电开关27。
放电开关27是用于根据缓冲电路21的电压(即电容器24的电压)放出蓄积在缓冲电路21中的电荷(即蓄积在电容器24中的电荷)的开关。例如，放电开关27如后述那样由控制部40控制，当电容器24的两端间的电压超过规定值时成为接通状态，当电容器24的两端间的电压小于规定值时成为断开状态。在接通状态下，蓄积在电容器24中的电力流过电阻26，电容器24进行放电。在断开状态下，通过电阻26的电流的路径被切断，由初级侧二极管桥22和次级侧二极管桥23整流后的直流电被充入电容器24。
当放电开关27处于接通状态时，电阻26消耗蓄积在电容器24中的电力而转换为热能。
电流传感器31检测从电力变换电路10输出至交流电动机3的各相电流。
控制部40构成为执行如下步骤：根据测试时载波频率控制电力变换电路10，使得测试电压施加给交流电动机3；根据放电开关27的动作状态而变更测试时载波频率；以及根据交流电动机3在被施加测试电压时的响应状态确定交流电动机3的常数。这里，测试例如包含确定(调整(tuning))与矩阵变换器1连接的交流电动机3的常数。
作为功能上的结构(以下称作“功能模块”。)，控制部40例如具有指令取得部41、驱动控制部42、电流取得部43、测试控制部44、常数确定部45、缓冲控制部46、载波频率设定部51以及第一频率存储部52。
指令取得部41例如从上位的控制装置取得交流电动机3的速度、扭矩等控制目标值。
驱动控制部42经由门驱动器30控制电力变换电路10，以将驱动用电力输出至交流电动机3。驱动控制部42例如计算出用于使交流电动机3追随由指令取得部41取得的控制目标值的电力作为上述驱动用电力，控制电力变换电路10以将该电力输出至交流电动机3。
驱动控制部42根据驱动时载波频率控制电力变换电路10。即，驱动控制部42与驱动时载波频率的脉冲波对应地切换双向开关11的导通状态(进行开关)，变更脉冲波的宽度，由此，控制向交流电动机3输出的电力。驱动控制部42例如通过空间矢量调制(SpaceVector Modulation(SVM))方式或脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation(PWM))方式控制电力变换电路。
测试控制部44控制电力变换电路10，以将测试电压施加给交流电动机3。测试电压是用于确定交流电动机3的常数的电压，其振幅和频率例如被设定为不使交流电动机3动作的程度(或者使交流电动机3微速地动作的程度)。作为交流电动机3的常数，可以举出各种绕组的阻抗、电阻及电感等。测试控制部44也可以根据常数的确定过程而适当变更测试电压。
测试控制部44根据测试时载波频率控制电力变换电路10。即，测试控制部44与测试时载波频率的脉冲波对应地切换双向开关11的导通状态，变更脉冲波的宽度，由此控制向交流电动机3输出的电压。测试控制部44例如通过SVM方式或PWM方式控制电力变换电路。如后述那样，由载波频率设定部51设定测试时载波频率。
电流取得部43取得电流传感器31的检测值(输出至交流电动机3的各相的电流的值)。
常数确定部45调整交流电动机3的常数。即，常数确定部45根据交流电动机3在被施加上述测试电压时的响应状态，确定交流电动机3的常数。作为交流电动机3的响应状态的具体例，可以举出与上述测试电压对应地输出至交流电动机3的电流值、交流电动机3的端子间的电压值、交流电动机3的速度以及这些值的组合。以下，设交流电动机3的响应状态为输出至交流电动机3的电流值而进行说明。常数确定部45例如从电流取得部43取得当上述测试电压被输出至交流电动机3时的电流值，根据该电流值确定交流电动机3的常数。常数确定部45例如根据施加给交流电动机3的测试电压与施加该测试电压时流过交流电动机3的各相的电流之比，求出交流电动机3的阻抗。常数确定部45将所确定的常数写入常数存储部54。存储于常数存储部54中的常数被用于由驱动控制部42进行的上述驱动用电力的计算。
缓冲控制部46具有直流电压取得部47和放电控制部48。直流电压取得部47取得电容器24的两端间的电压并输出至放电控制部48。直流电压取得部47例如通过对电容器24的两端间的电压(或以一定比率缩小该电压而得到的电压)实施A/D转换而取得该电压值作为数字信息。
放电控制部48根据由直流电压取得部47取得的直流电压，控制放电电路25。放电控制部48例如进行如下控制：根据由直流电压取得部47取得的直流电压的大小，切换放电开关27的动作状态。具体而言，当直流电压超过规定值时，放电控制部48使放电开关27成为接通状态，当直流电压小于规定值时，放电控制部48使放电开关27成为断开状态。
监视部49根据放电开关27的动作状态进行警报处理。监视部49例如累计放电控制部48使放电开关27成为接通状态的时间，如果累计结果成为一定值以上，则输出警报信号。警报信号除了被用于警报状态的告知之外，还被用于电力变换电路10的控制停止等。在放电开关27成为接通状态之后，当直到经过规定时间为止保持为断开状态时，监视部49也可以清除上述累计结果。上述规定时间例如是将刚刚放电开关27成为接通状态的时间与规定倍率相乘而得到的时间。
载波频率设定部51根据放电开关27的动作状态，设定上述测试时载波频率。具体而言，载波频率设定部51从放电控制部48取得表示放电开关27的动作状态的信息，根据该信息变更测试时载波频率。
这里，存在根据用于生成测试电压的测试时载波频率的值的不同而在高频滤波器15侧发生谐振现象的情况。图3A是示出测试时载波频率充分远离高频滤波器15的谐振频率时的一侧线4的电压的曲线图。图3B是示出测试时载波频率接近高频滤波器15的谐振频率时的一侧线4的电压的曲线图。在图3A与图3B中，横轴表示时间，纵轴表示电压。此外，为了方便说明，在图3A与图3B中仅示出一侧线4的一相的电压。如图3A与图3B所示，当测试时载波频率接近高频滤波器15的谐振频率时，测试时载波频率中的伴随开关的纹波成分会由于与高频滤波器15之间的谐振现象而放大，使得谐振电压与一侧线4的电压叠加。由此，一侧线4的电压振幅从Vm1增大至Vm2。如果电压振幅增大，则由初级侧二极管桥22进行整流后的直流电压也升高，导致电容器24的两端间的电压升高，因此，存在放电开关27成为接通状态的频率增加的可能性。由此，如果监视部49输出警报信号，则难以继续进行交流电动机3的常数确定处理。
对此，通过以抑制放电开关27成为接通状态的频度的方式设定测试时载波频率，能够可靠地执行常数确定处理。
另外，随着测试时载波频率变低，不易发生伴随开关元件12a、12b的开关的测试电压的紊乱，因此，存在能够生成高精度的测试电压(与目标值的偏离小的测试电压)的趋势。因此，载波频率设定部51也可以在低于上述驱动时载波频率的范围内变更测试时载波频率。
另一方面，如果测试时载波频率变得过小，则还存在测试电压相对于目标值的延迟变大、常数确定处理的时间延长的趋势。因此，载波频率设定部51也可以变更测试时载波频率，以便搜索出不使放电开关27成为接通状态、且与高频滤波器15的谐振频率相接近的频率。另外，与高频滤波器15的谐振频率相接近的测试时载波频率例如是满足以下条件的频率。
测试时载波频率-谐振频率≦驱动时载波频率-测试时载波频率
只要能够在不使放电开关27成为接通状态的范围内设定与高频滤波器15的谐振频率相接近的测试时载波频率，则载波频率设定部51也可以按任何步骤搜索测试时载波频率。
例如，载波频率设定部51也可以在大于高频滤波器的谐振频率的范围内变更测试时载波频率，也可以在小于该谐振频率的范围内变更测试时载波频率。
也可以是，载波频率设定部51变更测试时载波频率，使测试时载波频率远离高频滤波器15的谐振频率，直到放电开关27成为断开状态为止。该情况下，载波频率设定部51可以将测试时载波频率设定为放电开关27成为断开状态的时刻的值(以下，称作“边界值”。)，也可以将测试时载波频率设定为相比于边界值稍稍远离谐振频率的值，在与边界值之间具有裕量。测试时载波频率的变更的起点可以是高频滤波器15的谐振频率的设计值，也可以是实测数据的平均值、最大值、最小值等。
载波频率设定部51例如也可以以驱动时载波频率为起点，变更测试时载波频率，使测试时载波频率接近高频滤波器15的谐振频率，直到放电开关27成为接通状态为止。该情况下，载波频率设定部51也可以将测试时载波频率设定为比放电开关27成为接通状态的时刻的值稍小的值。
载波频率设定部51将所设定的测试时载波频率写入第一频率存储部52。上述测试控制部44根据存储于第一频率存储部52的测试时载波频率控制电力变换电路10。
图4是例示出控制部40的硬件结构的框图。如图4所示，控制部40具有电路60，电路60具有一个或多个处理器61、存储部62以及输入输出端口65。
存储部62包含内存63和存储器64。存储器64记录有用于构成控制部40的上述各功能模块的程序。只要能够计算机可进行读取，存储器64可以是任意的。作为存储器64的具体例，可以举出硬盘、非易失性半导体存储器、磁盘及光盘等。内存63临时存储从存储器64载入的程序和处理器61的运算结果等。处理器61通过与内存63协作执行程序而构成控制部40的各功能模块。输入输出端口65响应于来自处理器61的指令，在与电流传感器31以及双向开关11等之间进行电信号的输入输出。
另外，控制部40的硬件结构不一定限于由程序构成各功能模块的结构。控制部40的上述功能模块的至少一部分例如也可以由专用的逻辑电路或将该专用的逻辑电路集成而形成的ASIC(Application Specific Integrated Circuit)构成。
[交流电动机的常数确定步骤]
以下，作为交流电动机的常数确定方法的一例，对控制部40执行的交流电动机3的常数确定步骤进行说明。该步骤包含：根据测试时载波频率控制电力变换电路10，以使测试电压被施加给交流电动机3；根据放电开关27的动作状态变更测试时载波频率；以及根据施加测试电压时的交流电动机3的响应状态确定交流电动机3的常数。
图5是示出常数确定步骤的具体例的流程图。如图5所示，首先，控制部40执行步骤S1。在步骤S1中，载波频率设定部51设定载波频率的初始值并写入第一频率存储部52。该初始值可以是高频滤波器15的谐振频率的设计值，也可以是实测数据的平均值、最大值、最小值等。
接下来，控制部40执行步骤S2。在步骤S2中，测试控制部44控制电力变换电路10，以开始向交流电动机3施加测试电压。测试控制部44根据存储于第一频率存储部52的测试时载波频率控制电力变换电路10。
接下来，控制部40执行步骤S3。在步骤S3中，载波频率设定部51确认放电开关27是否处于断开状态。
在步骤S3中，当判定为放电开关27不处于断开状态时，控制部40执行步骤S4。在步骤S4中，载波频率设定部51将存储于第一频率存储部52的测试时载波频率与规定的间距相加。该间距例如按照预先的条件设置等被设定为在测试时载波频率的设定过程中监视部49不会输出警报信号。
在执行步骤S4之后，控制部40使处理返回步骤S3。之后，反复进行步骤S3、S4直到放电开关27成为断开状态为止。即，反复进行使测试时载波频率逐个间距地远离上述初始值的处理。
在步骤S3中，当判定为放电开关27处于断开状态时，控制部40完成步骤S3、S4的反复。由此，设定之后的处理中的测试时载波频率。
接下来，控制部40执行步骤S6。在步骤S6中，电流取得部43取得电流传感器31的检测值作为输出至交流电动机3的各相的电流的值。
接下来，控制部40执行步骤S7。在步骤S7中，常数确定部45根据交流电动机3在被施加上述测试电压时的响应状态，确定交流电动机3的常数。常数确定部45例如根据在步骤S6中由电流取得部43取得的电流值，确定交流电动机3的常数。
接下来，控制部40执行步骤S8。在步骤S8中，测试控制部44控制电力变换电路10，使其停止测试电压的输出。至此，完成交流电动机3的常数确定步骤。
[本实施方式的效果]
如以上进行说明的那样，矩阵变换器1具有：电力变换电路10，其一侧可经由高频滤波器15与交流电源连接，另一侧可与交流电动机3连接，在一侧与另一侧之间进行双向的电力变换；缓冲电路21，其与将高频滤波器15与电力变换电路10之间连接起来的一侧线4连接；放电开关27，其根据缓冲电路21的电压放出蓄积在缓冲电路21中的电荷；测试控制部44，其根据测试时载波频率控制电力变换电路10，以使得测试电压被施加给交流电动机3；载波频率设定部51，其根据放电开关27的动作状态变更测试时载波频率；以及常数确定部45，其根据交流电动机3在被施加测试电压时的响应状态确定交流电动机3的常数。
根据该矩阵变换器1，能够自动调整交流电动机3的常数。这里，存在根据用于生成测试电压的测试时载波频率的值的不同而在一侧线4侧发生谐振现象的情况。当由于该谐振现象而使得一侧的电压振幅增大时，存在放电开关27成为接通状态的频度增高而导致难以继续进行常数确定处理的情况。对此，本矩阵变换器1具有载波频率设定部51，该载波频率设定部51根据缓冲电路21的动作状态变更测试时载波频率。因此，通过设定测试时载波频率以抑制放电开关27成为接通状态的频度，能够可靠地执行常数确定处理。因此，能够提供容易设置的矩阵变换器1。
另外，由于载波频率设定部51利用缓冲电路21搜索测试时载波频率，因此，在测试时载波频率的搜索中无需增设特定的硬件。因此，能够将本矩阵变换器1的结构安装在包含既有的矩阵变换器在内的多种矩阵变换器中。
此外，通过抑制放电开关27成为接通状态的频度，可以期待缓冲电路21和放电电路25的寿命延长。进而，通过抑制一侧线4侧的谐振现象，还可以期待高频滤波器15的电容器17的寿命延长。
载波频率设定部51也可以在低于驱动时载波频率的范围内变更测试时载波频率。如上所述，随着测试时载波频率变低，不易发生伴随开关元件12a、12b的开关的测试电压的紊乱，因此，存在能够生成高精度的测试电压的趋势。因此，为了提高常数确定的精度，优选降低测试时载波频率。因此，根据在低于驱动时载波频率的范围内变更测试时载波频率的结构，能够同时实现常数确定的执行的可靠性提高和常数确定的精度提高。
载波频率设定部51也可以变更测试时载波频率，以便搜索出不使放电开关27成为接通状态、且与高频滤波器15的谐振频率相接近的频率。为了同时实现常数确定的精度和速度，优选将测试时载波频率设定在高频滤波器15的谐振频率附近。因此，根据搜索不使放电开关27成为接通状态、且与高频滤波器15的谐振频率相接近的频率的结构，能够同时实现常数确定的精度提高和速度提高(即，缩短常数确定所需的时间)。
载波频率设定部51也可以在大于高频滤波器15的谐振频率的范围内变更测试时载波频率。在该情况下，能够更可靠地同时实现常数确定的精度提高和速度提高。
载波频率设定部51也可以变更测试时载波频率，使测试时载波频率远离高频滤波器15的谐振频率，直到放电开关27成为断开状态为止。在该情况下，能够讯速地搜索出不使放电开关27成为接通状态、且与高频滤波器15的谐振频率相接近的频率。以上，对实施方式进行了说明，但本发明不一定限于上述实施方式，能够在不脱离其宗旨的范围内进行各种变更。

Claims (6)

1.一种矩阵变换器，其具有：
电力变换电路，其一侧能够经由高频滤波器与交流电源连接，另一侧能够与交流电动机连接，用于在所述一侧与所述另一侧之间进行双向的电力变换；
缓冲电路，其与用于将所述高频滤波器和所述电力变换电路之间连接起来的一侧线连接；
放电开关，其用于根据所述缓冲电路的电压放出蓄积在所述缓冲电路中的电荷；
测试控制部，其根据测试时载波频率控制所述电力变换电路，以使测试电压被施加给所述交流电动机；
载波频率设定部，其根据所述放电开关的动作状态，变更所述测试时载波频率；以及
常数确定部，其根据所述交流电动机在被施加所述测试电压时的响应状态确定所述交流电动机的电阻和阻抗的至少一个。
2.根据权利要求1所述的矩阵变换器，其中，
所述载波频率设定部在低于驱动时载波频率的范围内变更所述测试时载波频率。
3.根据权利要求2所述的矩阵变换器，其中，
所述载波频率设定部变更所述测试时载波频率，以便搜索出不使所述放电开关成为接通状态、且与所述高频滤波器的谐振频率相接近的频率。
4.根据权利要求3所述的矩阵变换器，其中，
所述载波频率设定部在大于所述高频滤波器的谐振频率的范围内变更测试时载波频率。
5.根据权利要求3或4所述的矩阵变换器，其中，
所述载波频率设定部变更测试时载波频率，使得测试时载波频率远离所述高频滤波器的谐振频率，直到所述放电开关成为断开状态为止。
6.一种交流电动机的常数确定方法，利用矩阵变换器确定交流电动机的常数，其中，所述矩阵变换器具有：电力变换电路，其一侧能够经由高频滤波器与交流电源连接，另一侧能够与交流电动机连接，用于在所述一侧与所述另一侧之间进行双向的电力变换；缓冲电路，其与用于将所述高频滤波器和所述电力变换电路之间连接起来的一侧线连接；以及放电开关，其根据所述缓冲电路的电压放出蓄积在所述缓冲电路中的电荷，所述常数确定方法包含如下步骤：
根据测试时载波频率控制所述电力变换电路，以使测试电压被施加给所述交流电动机；
根据所述放电开关的动作状态变更所述测试时载波频率；以及
根据所述交流电动机在被施加所述测试电压时的响应状态确定所述交流电动机的电阻和阻抗的至少一个。
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