CN109525160A - 电机控制装置以及空调机 - Google Patents
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Abstract
实施方式的电机控制装置具备:二极管电桥电路,对从单相交流电源供给的交流电压进行整流;填谷电路,输入端子连接于上述二极管电桥电路的输出端子;逆变器电路,通过经由上述填谷电路供给的电压,驱动电机;以及同步控制部,基于上述单相交流电源频率的2倍频率进行电流控制,以生成对该逆变器电路的通电指令。
Description
技术领域
本发明的实施方式涉及具备对电机进行驱动的逆变器电路的控制装置以及空调机。
背景技术
为了对例如永磁同步电机等的交流电机进行驱动,需要使用作为电力转换器的逆变器将直流电源转换为3相交流电力。并且,在使用逆变器的系统中,搭载有用来从商用交流电源获得直流电力的电源装置。
作为构成从交流获得直流的电源装置的电路,通常公知有例如二极管整流电路、功率因数校正电路即所谓PFC等。二极管整流电路对交流电压进行整流并转换为直流电压。通过二极管整流器整流后的电压,与交流电压同样地、振幅大幅变动,因此连接平滑电容器对电压进行平滑。
但是,在上述的构成中,比平滑电容器相比整流器仅在交流电压较大的情况下二极管导通,因此从交流电源对整流器流入的电流的波形,仅在交流电压的峰值附近具有振幅,功率因数恶化。因此,将PFC电路连接在二极管整流电路与平滑电容器之间来校正功率因数。将这样获得的直流电源供给至逆变器,对3相交流电流进行控制并驱动电机。专利文献1示出了在使用了二极管整流器时谋求功率因数的校正的另一技术的一例。
然而,在应用PFC电路时,存在由于电抗器等的磁性部件而电路大型化的问题。对此,提出了如例如非专利文献1所示那样、代替直流部的平滑用电解电容器,而使用了小容量的滤波电容器的被称为无电解电容器逆变器的方式。在该方式下,直流部的电压以系统交流电压的2倍频率变动,所以应用使电机的输出以上述2倍频率变动的控制来校正二极管电桥的导通角,使电流波形接近正弦波来校正功率因数。
非专利文献1:平成12年电气学会全国大会论文集Vol.4,p1591,长冈技术科学大学高桥勲,“具有高输入功率因数二极管整流电路的PM电机的逆变器控制法”
在非专利文献1的电路构成中,通过不具有大型的电解电容器及PFC电路所必要的电抗器,能够校正功率因数。但是,电机的输出控制困难,因此存在如下问题:难以进行满足例如IEC61000-3-2等的标准的实用的等级的功率因数校正,即难以降低电流高次谐波。
发明内容
因此,本发明提供不使用大型的电路部件,而能够以实用的等级校正功率因数的电机控制装置以及空调机。
实施方式的电机控制装置具备:二极管电桥电路,对从单相交流电源供给的交流电压进行整流;
填谷电路,输入端子连接于上述二极管电桥电路的输出端子;
逆变器电路,根据经由上述填谷电路供给的电压,驱动电机;以及
同步控制部,基于上述单相交流电源频率的2倍频率进行电流控制,以生成对上述逆变器电路的通电指令。
附图说明
图1是表示第1实施方式的电机控制装置的构成的功能框图。
图2是说明填谷电路的基本动作的图(其一)。
图3是说明填谷电路的基本动作的图(其二)。
图4是说明填谷电路的基本动作的信号波形图。
图5是表示交流电压VAC的波形的图。
图6是表示仅使用了电解电容器的情况下的电源电流IAC的波形的图。
图7是表示设置有填谷电路的情况下的电源电流IAC的波形的图。
图8是表示对填谷电路追加了电容器C3以及C4、电阻R2的情况下的电源电流IAC的波形的图。
图9是表示q轴电流指令生成部的构成的图。
图10是表示d轴电流指令生成部的构成的图。
图11是表示应用了本实施方式的构成的情况下的交流电压VAC的波形的图。
图12是表示上述电源电流IAC的波形的图。
图13是表示上述直流电压VDC的波形的图。
图14是表示上述q轴电流Iq的波形的图。
图15是表示对直流电源的电流进行快速傅里叶变换后的结果的图。
图16是表示第2实施方式中将电机驱动控制装置应用于空气调节器的压缩机电机的情况的图。
具体实施方式
(第1实施方式)
以下,参照图1至图15,对第1实施方式进行说明。图1表示本实施方式的电机控制装置的构成。电机1是3相的永磁同步电机、感应电机等,在本实施方式中设为永磁同步电机。单相的交流电源2,是对装置整体供给交流电力的电源,是100V或者200V类。二极管电桥电路3与交流电源2连接并对双极性的交流进行整流,并转换为单极性的直流。
在与二极管电桥电路3的正极侧端子、负极侧端子分别连接的正侧电源线4p、负侧电源线4n间,连接有填谷电路5。在负侧电源线4n与正侧电源线4p之间,连接有由正向的第1二极管D1以及第1电容器C1构成的第1串联电路6、及由第2电容器C2以及正向的第2二极管D2构成的第2串联电路7。在第1串联电路6、第2串联电路7各自的共通连接点间,连接有由第1电阻R1以及正向的第3二极管D3构成的第3串联电路8。
另外,在正侧电源线4p、负侧电源线4n间,连接有由第3电容器C3以及第4电容器C4构成的第4串联电路9。并且,在交流电源2的一端与第4串联电路9的共通连接点之间,连接有第2电阻R2。以上构成填谷电路5。另外,第1~第4电容器C1~C4都是电解电容器。填谷电路5,通过调整直流部的平滑电容器即第1以及第2电容器C1以及C2的充电量,从而调整二极管电桥电路3的导通角并校正功率因数。
在填谷电路5的后级,连接有逆变器电路10。逆变器电路10,将作为开关元件的例如6个N沟道MOSFET11三相桥接而构成。逆变器电路10的各相输出端子与电机1的各相绕组的一端连接。
电流检测器12例如是分流电阻,被插入到填谷电路5与逆变器电路10之间的负侧电源线4n。另外,也可以代替该构成,将电流检测器配置于逆变器电路10的各相输出端子部,或者在逆变器电路10的下支路侧分别配置分流电阻。电流检测器12,将检测到的电流转换为电压信号后输出至控制部21。另外,电压检测器13检测交流电源2的交流电压后输出至控制部21。另外,位置传感器14检测电机1的转子旋转位置,并将位置信号输出至控制部21。
控制部21中的电流检测·坐标转换部22,从通过电流检测器12检测到的电流提取3相电流,并将它们进一步转换为向量控制所用的d、q轴坐标的电流Id、Iq。速度·位置检测部23从由位置传感器14赋予的位置信号检测电机速度ω和旋转位置θ。或者,也可以采用不使用位置传感器14,而根据电机1的电压·电流来估计位置以及速度的构成。滤波器24是从由速度·位置检测部23检测到的电机速度ω将交流电源频率的2倍频率成分去除的低通滤波器。
速度控制部25通过对从外部输入的速度指令ωref与从滤波器24输入的速度ωLPF之差进行例如PI运算,从而生成q轴电流指令振幅IqAmp。q轴电流指令振幅IqAmp,相当于q轴电流控制参数。电源相位检测部26,从由电压检测器13输入的交流电压,检测交流电源相位θAC。q轴电流指令生成部27根据电源相位θAC和q轴电流指令振幅IqAmp,生成q轴电流指令IqRef。并且,速度控制部25、电源相位检测部26以及q轴电流指令生成部27,构成同步控制部28。
d轴电流指令生成部29,根据直流电压VDC和dq轴的电压振幅Vdq,生成在执行磁场削弱控制时赋予的d轴电流指令值IdRef。电流控制部30根据所输入的dq轴的电流指令IdRef、IqAm及从电流检测·坐标转换部22输入的电流Id、Iq,生成dq轴电压指令Vd、Vq。调制控制部31,将dq轴电压指令Vq、Vd转换为3相的开关信号U+、U-、V+、V-、W+、W-,并作为对构成逆变器电路10的各FET11的栅极信号输出。
接着,对本实施方式的作用进行说明。首先,参照图2至图4对填谷电路5的基本动作进行说明。另外,为了简化说明,关于第3以及第4电容器C3以及C4、第1以及第2电阻R1以及R2,省略图示。如图2所示那样,在交流电压VAC为正或者负地较大时,为通过电压VAC对第1以及第2电容器C1以及C2充电的模式。此时,第1以及第2二极管D1以及D2截止,第3二极管D3导通。另外,同时对作为负载的电机1侧也供给电力。此时,直流电压为与对交流电压VAC进行整流后的值相同的大小。
第1以及第2电容器C1以及C2,在经由第3二极管D3串联地连接的状态下被充电,因此各电容器C1、C2的端子间电压Vc1、Vc2,成为(1)式以及图4所示那样电源电压VAC的有效值VACrms的(√2)/2倍。将该期间称为第1期间。
【数式1】
接着,交流电压VAC的大小变小,若低于第1以及第2电容器C1以及C2的充电电压即(1)式的电压,则二极管电桥电路3截止,进而填谷电路5的第1以及第2二极管D1以及D2导通,第3二极管D3截止。其结果是,对第1以及第2电容器C1以及C2充电的电压Vc1、Vc2,如图3所示那样被供给至负载侧。将该期间称为第2期间。其结果是,直流电压VDC如图4所示那样,成为与所充电的电容器电压Vc1、Vc2相等的恒定的值。
在第1期间中,从交流电源2经由二极管电桥电路3对负载供给电力,所以若假定负载是与交流电源2同步的交流负载,则交流电源2的功率因数变高。另外,在该期间中同时产生的对电容器C1以及C2的充电电流,为使功率因数降低的主要原因,但通过与第3二极管D3串联地连接的第1电阻R1来限制充电电流从而能够抑制功率因数的降低。
在第2期间中,从已充电的电容器C1以及C2对负载供给电力,所以二极管电桥电路3不导通而电源电流变为零,功率因数也变为零。但是,若考虑交流电源的1个周期,则大部分的电力在二极管电桥电路3导通的第1期间中被供给,因此遍及1个周期的功率因数得到校正。另外,也能够进行电源电压VAC降低期间的对负载的电力供给。
图5是交流电压VAC的波形,图6是仅使用了电解电容器的情况下的电源电流IAC的波形。仅在二极管电桥电路3的二极管导通的少许的期间中流通电流,因此包含很多电源高次谐波,功率因数变低。图7是设置有填谷电路5的情况,上述二极管的导通角增加从而电源电流的高次谐波减轻,功率因数得以校正。图8是进一步追加了第3电容器C3及第4电容器C4、第2电阻R2的构成,在电源电压VAC的过零点附近产生的畸变得以校正,进而高次谐波减轻。
接着,对控制部21进行说明。在一般的电机控制中,基于速度指令值来决定电流指令值,基于检测到的电机电流,生成电压指令值,在调制控制部31生成开关信号。本实施方式的控制部21进行的电机控制与通常的控制的不同点在于,在电源电压VDC大幅变动时,相应于该变动而对电机1的输出进行控制,从而校正电源的功率因数。
具体而言,对于通过速度控制部25获得的电流指令值IqAmp,使用通过电源相位检测部26获得的相位θAC进行sin2运算,生成q轴电流指令值IqRef。图9中示出了q轴电流指令生成部27的构成。在平方运算部27a中,进行运算“sin2θAC”,在乘法器27b中将上述运算结果与电流指令值IqAmp相乘从而生成q轴电流指令值IqRef。然后,基于指令值IqRef,用电流控制部30控制q轴电流Iq从而使电机输出以正弦波状变动,并与电源的变动同步地校正功率因数。另外,运算“sin2θAC”的结果为(1-cos2θAC)/2,适当调整相位。
另外,在d轴电流指令生成部29中,对于动态地变化的直流电压VDC,进行磁场削弱控制,以避免其超过电机输出电压Vdq,并生成d轴电流指令值IdRef。电机输出电压Vdq根据d、q轴电压Vd、Vq用(2)式进行运算而求出。
【数式2】
图10中示出了d轴电流指令生成部29的构成。通过减法器29a以及积分器29b,对直流电压VDC与电机输出电压Vdq的差分值进行积分运算。积分器29b所示的“Ki_AFR”是积分增益。另外,d轴电流Id在极性表示正的期间不需要流通,所以限制器29c中以将最大值限制为零的方式进行限制。另外,速度反馈值所使用的前述的滤波器24,速度也伴随着电机输出因电源频率的影响变动而变动,所以将电源频率的2倍频率去除,以避免使该影响反映于q轴电流指令值IqRef。
图11是表示应用了本实施方式的构成的情况下的交流电压VAC的波形的图,图12是表示上述电源电流IAC的波形的图,图13是表示上述直流电压VDC的波形的图,图14是表示上述q轴电流Iq的波形的图。并且,图15表示对电源电流进行了FFT快速傅里叶转换的结果,高次谐波成分的等级收敛于IEC61000-3-2的标准内。
如以上那样,根据本实施方式,具备:二极管电桥电路3,对从交流电源2供给的交流电压进行整流;填谷电路5,输入端子连接于二极管电桥电路3的输出端子;逆变器电路10,通过经由填谷电路5供给的电压,驱动电机1;以及同步控制部28,基于交流电源频率的2倍频率,进行电流控制,以生成对逆变器电路10的通电指令。由此,能够将对通过二极管电桥电路3整流后的电压产生的电源频率的影响排除,能够校正功率因数,能够减轻高次谐波成分。
并且,填谷电路5具备第1电阻R1以及第2电阻R2,从而能够限制对电容器C1以及C2的充电电流而能够抑制功率因数的降低。另外,能够校正在电源电压VAC的过零点附近产生的畸变而减轻高次谐波。
另外,具备检测电机1的旋转速度ω的速度·位置检测部23、基于被赋予的速度指令值ωref与旋转速度ω之差而生成q轴电流指令振幅IqAmp的速度控制部5、以及检测对电机1通电的电流并进行向量控制的向量控制部,同步控制部28通过交流电源的2倍频率与q轴电流指令振幅IqAmp的运算,来生成向量控制所使用的q轴电流指令值IqRef。由此,能够基于2倍频率将电流控制应用于向量控制。
(第2实施方式)
图16表示第2实施方式,且表示将第1实施方式的电机控制装置应用于空气调节器的压缩机电机中的情况。构成热泵系统41的压缩机42,是将压缩部43和电机44容纳在同一铁制密闭容器45内而构成的,电机44的转子轴与压缩部43连结。并且,压缩机42、四通阀46、室内侧热交换器47、减压装置48、室外侧热交换器49,以通过作为导热介质流路的导管构成闭环的方式连接。另外,压缩机42是例如旋转式的压缩机,电机44是例如3相IPM(InteriorPermanent Magnet)电机。另外,电机44是无刷DC电机。空气调节器40具有上述的热泵系统41而构成。
在供热时,四通阀46处于以实线表示的状态,通过压缩机42的压缩部43压缩后的高温冷媒,从四通阀46被供给到室内侧热交换器47而凝缩,之后,通过减压装置48被减压,成为低温后向室外侧热交换器49流动,在这里蒸发并返回到压缩机42。另一方面,在供冷时,四通阀46被切换为以虚线表示的状态。因此,通过压缩机42的压缩部43压缩后的高温冷媒,从四通阀46供给到室外侧热交换器49而凝缩,之后,通过减压装置8被减压,成为低温后向室内侧热交换器47流动,在这里蒸发并返回到压缩机42。并且,在室内侧、室外侧的各热交换器47、49中,构成为,分别通过风扇50、51进行送风,通过该送风高效地进行各热交换器47、49与室内空气、室外空气的热交换。并且,通过第1实施方式的电机驱动装置对电机44进行驱动控制。
根据如以上那样构成的第2实施方式,通过用实施方式的电机驱动控制装置对空气调节器40中的构成热泵系统41的压缩机42的电机44进行驱动控制,从而能够提高空气调节器40的运转效率。
(其他的实施方式)
电阻元件R1、R2只要根据需要设置即可。
开关元件不限于MOSFET,除此以外也可以使用IGBT、功率晶体管、SiC、GaN等的大间隙半导体等。
电容器C3、C4可以使用滤波电容器。
并不限于应用于空调机,也可以应用于除此以外的产品等。
对本发明的几个实施方式进行了说明,但这些实施方式是作为例子提示的,意图不是限定发明的范围。这些新的实施方式,能够以除此以外的各种各样的方式实施,在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种省略、替换、变更。这些实施方式及其变形,包含在发明的范围、主旨中,并且包含在权利要求书记载的发明及其等同的范围中。
Claims (5)
1.一种电机控制装置,具备:
二极管电桥电路,对从单相交流电源供给的交流电压进行整流;
填谷电路,输入端子连接于上述二极管电桥电路的输出端子;
逆变器电路,通过经由上述填谷电路供给的电压,驱动电机;以及
同步控制部,基于上述单相交流电源频率的2倍频率进行电流控制,以生成对上述逆变器电路的通电指令。
2.如权利要求1所述的电机控制装置,
上述填谷电路具备:
第1串联电路,由第1电容器与第1二极管串联连接而成,该第1电容器的一端连接于上述二极管电桥电路的正极侧端子;该第1二极管的阳极连接于上述二极管电桥电路的负极侧端子;
第2串联电路,由第2二极管与第2电容器串联连接而成,该第2二极管的阴极连接于上述正极侧端子,该第2电容器的一端连接于上述负极侧端子;以及
第3串联电路,通过连接在上述第1电容器的另一端与上述第2电容器的另一端之间的第1电阻以及第3二极管构成。
3.如权利要求2所述的电机控制装置,具备:
第4串联电路,由串联连接在上述正极侧端子与上述负极侧端子间的第3电容器以及第4电容器构成;以及
第2电阻,连接于上述第3电容器以及第4电容器的共通连接点、和上述二极管电桥电路的交流输入端子的一方。
4.如权利要求1至3中任一项所述的电机控制装置,具备:
速度检测部,检测上述电机的旋转速度;
速度控制部,基于被赋予的速度指令值与上述旋转速度之差,生成q轴电流控制参数;以及
向量控制部,检测对上述电机通电的电流,并进行向量控制,
上述同步控制部,通过上述单相交流电源的2倍频率与上述q轴电流控制参数的运算,生成上述向量控制中使用的q轴电流指令值。
5.一种空调机,具备:
电机,构成压缩机;以及
权利要求1至4中任一项所述的电机控制装置,
通过驱动上述压缩机而进行空调运转。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20190326 |
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |