CN110235354A - 电动机电力转换装置和使用该电动机电力转换装置的电动机电力转换系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动机电力转换装置，其能够准确地计算出电动机频繁重复动力运行、再生状态的运转动作中的电动机平均效率和电动机损耗电力量。为了实现上述目的，电动机电力转换装置具有如下结构，包括：同步切换电路，其在将在电动机中流动的电流的、从电源向负载侧的流向作为动力运行、从负载向电源侧的流向作为再生时，就电动机的一个工序内的动作而言，在动力运行时，使电动机的输入电力检测值为上游侧电力，使电动机的输出电力检测值为下游侧电力，在再生时，使输出电力检测值为上游侧电力，使输入电力检测值为下游侧电力；绝对值电路，其对上游侧电力和下游侧电力进行绝对值处理；积分电路，其分别对绝对值处理后的上游侧电力和下游侧电力进行积分，将各自的积分值作为上游侧电力量和下游侧电力量输出；除法电路，其通过下游侧电力量除以上游侧电力量，求出电动机平均效率；减法电路，其通过上游侧电力量减去下游侧电力量，求出电动机损耗电力量。

Description

电动机电力转换装置和使用该电动机电力转换装置的电动机 电力转换系统

技术领域

本发明涉及电动机电力转换装置，涉及具有电动机的效率测量功能的电动机电力转换装置。

背景技术

近年来的防止全球变暖、臭氧层的保护等守护地球环境成为一大课题。据说，日本的产业部门的能源使用量占全国的50％以上，其中，平均工厂使用的电力量的70％都是通过电动机来使用的。在用工频电源来驱动的感应电动机中，有针对感应电动机效率值的标准制定等，加快了高效率电动机的导入。

关于AC伺服电动机或矢量控制变频驱动电动机，也进行高效率化，从感应式电动机向使用永磁铁作为转子的PM电动机的转变成为主流。

在半导体、电子部件制造组装机械、锻造机械等行业，在速度、转矩、位置控制用途中，因要进行利用伺服性能的急加减速、定位控制等而使用永磁铁式AC伺服电动机、DC无刷电动机、矢量控制变频驱动专用电动机。作为这些用途之一例，在锻造机械领域，在进行薄板的高速连续冲孔加工的冲孔机中，能够实现命中率(hit rate)约500次/min的动作，另外，在印刷电路板上装载电子部件的表面安装机中，进行装载芯片元件的产距时间(timetact)为0.18秒/芯片的高速化安装，大大地有助于提高一般产业机械的生产设备的生产率。这些负载并不是施加一定的连续负载，而是伴随可变速度而来的加速、减速、推压保持、或者频繁反复进行伺服锁定或悬停的反复负载使用、或连续反复进行该动作的反复负载连续使用。

这些电动机与通常的通过工频电源来驱动的感应电动机(称为通用电动机)不同。在通用电动机中，在出厂前，电动机的效率评价的方法是，在电动机输出轴上连结模拟负载装置，对该模拟负载装置施加负载，在调节模拟负载装置侧的负载以使要评价的通用电动机的转矩成为额定转矩以后，进行温度上升试验，在通用电动机的绕组的温度上升值饱和以后，用电力计读取电动机的输入电力(W)，输出电力(W)是通过(额定转矩×输出轴的转速)乘以比例系数，并利用效率＝(输出电力/输入电力)×100(％)而计算出的。

但是，反复负载连续使用中所使用的AC伺服电动机因为要反复进行高速正反转运转，所以即使从制造商那里获取了一定的额定转矩时的效率数据，也不能应用其效率值，这是很显然的。因此，存在如何考虑效率，还有怎样才能降低电动机的动力(输出电力)、消耗电力(输入电力)达到节能目的的课题。或者，虽然在使命中率或产距时间的速度降下一半来运转时，能够降低动力或消耗电力，但作为电力量，能否实现节能化是个疑问，相反，因为速度的降低，所以不能在规定的时间内结束加工或安装，招致生产率变差，不能得到预定的生产量，结果是，需要增加人手来应对等，反而存在成本上升的问题。因此，对于用户来说，不能判断反复负载连续使用的节能效果。

作为本技术领域的背景技术，有日本特开2012-14649号公报(专利文献1)。专利文献1记载有“一种数值控制装置，其根据与包含致动器的电源之间的转换器、逆变器、放大器等驱动相关要素的输出电力、或计算或推定输出能量所得的值，计算出电力损耗、或电力效率，能够进行显示、打印输出、向存储介质的记录输出、向其他设备的输出”。还记载有“在电动机动力运行时，因为各驱动相关要素的电力损耗是输入电力与输出电力之差，所以电力效率能够通过输出电力除以输入电力来求出。另外，在电动机再生时，因为电力损耗是输出电力和输入电力之差，所以电力效率能够通过输入电力除以输出电力来求出。”和“在电动机停止的情况等下，不更新电力效率，在小于最小电力效率的情况下，显示警报”。另外，记载有“由于知道驱动相关要素的电力损耗、或电力效率，因此能够在工作机械中的驱动相关要素中，明确地识别哪个驱动相关要素的电力损耗大或电力效率差，电力损耗的降低或改善电力效率变得容易”。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2012-14649号公报

发明内容

发明要解决的课题

在专利文献1中，所计算出的电力损耗或电力效率在高速运转的反复负载使用时或反复负载连续使用时，只不过是由所测量出的其瞬间定时的电动机的转速或转矩得到的电力损耗/效率数据之一，不是表示其作业整体的准确的电动机损耗电力量或电动机平均效率。因此，难以改善电动机损耗电力量、电动机平均效率。

另外，在专利文献1中，在输入电力变成预设定的最小输入电力以下的情况下，不满足效率计算条件，不更新电力效率，因为电力损耗即使为零也没有问题，所以不需要进行特別的计算，但在机床中，由于现实会产生：相对于外力保持当前位置的伺服锁定、在施加重力的垂直轴上保持当前位置的悬停等在通常的作业中产生的电动机零速度控制或当前位置保持控制、还有螺钉紧固保持中的作业效率成为零，因此最小输入电力需要测量到零，输出到外部。

本发明是鉴于上述而完成的，其目的在于，提供一种电动机电力转换装置和使用该电动机电力转换装置的电动机电力转换系统，其即使在电动机为反复负载使用时，也能够计算准确的电动机平均效率和电动机损耗电力量。

用于解决课题的方法

为了解决上述课题，本发明举出一例，提供一种电动机电力转换装置，其具有如下结构，包括：同步切换电路，其在将在电动机中流动的电流的、从电源向负载侧的流向作为动力运行、从负载向电源侧的流向作为再生时，就电动机的一个工序内的动作而言，在动力运行时，使电动机的输入电力检测值为上游侧电力，使电动机的输出电力检测值为下游侧电力，在再生时，使输出电力检测值为上游侧电力，使输入电力检测值为下游侧电力；绝对值电路，其对上游侧电力和下游侧电力进行绝对值处理；积分电路，其分别对绝对值处理后的上游侧电力和下游侧电力进行积分，将各自的积分值作为上游侧电力量和下游侧电力量输出；除法电路，其通过下游侧电力量除以上游侧电力量，求出电动机平均效率；减法电路，其通过上游侧电力量减去下游侧电力量，求出电动机损耗电力量。

发明的效果

根据本发明，提供一种电动机电力转换装置和使用该电动机电力转换装置的电动机电力转换系统，其能够准确地计算出电动机为反复负载使用时的电动机平均效率和电动机损耗电力量。

附图说明

图1是对实施例的平均效率/损耗运算电路的结构进行说明的图。

图2是从实施例的反复负载使用的电动机转速、转矩方面对输出电力的时序图进行说明的图。

图3是将图2的时序图作为转速-转矩坐标上的运转轨迹进行说明的图。

图4是对实施例的动力运行时的电力流、电动机的输入输出电力、电动机损耗进行说明的图。

图5是对实施例的再生时的电力流、电动机的输入输出电力、电动机损耗进行说明的图。

图6是对将实施例的电动机电力转换装置应用于永磁铁式电动机而成的整体结构进行说明的图。

图7是对实施例的电动机的输入电力检测电路的结构例进行说明的示意图。

图8是对实施例的静摩擦转矩进行说明的图。

图9是对实施例的从动力运行切换到再生时的动力运行再生边界区域进行说明的图。

图10是对实施例的从再生切换到动力运行时的动力运行再生边界区域进行说明的图。

图11是用于对图1的动作进行说明的时序图。

图12是对用其他结构来实施实施例的平均效率/损耗运算电路的一个例子进行说明的图。

图13是对实施例的电动机效率测量方法进行说明的结构图。

图14是在实施例的图6的电动机电力转换装置的整体结构图上追加了效率/损耗测量指令电路而成的结构图。

图15是对在实施例的正反动力运行再生运转中测量电动机平均效率的时序图进行说明的图。

图16是说明在转速-转矩坐标上对图15的时序图进行上游、下游电力的积分的图。

图17是对实施例的惯性矩(电动机+负载)的降低和输入输出电力量之间的关系进行说明的图。

图18是对实施例的平均效率/损耗运算电路的其他结构进行说明的图。

图19是对将实施例的电动机电力转换装置应用于永磁铁式电动机而成的其他整体结构进行说明的图。

图20是对现有电动机效率测量方法进行说明的结构图。

图21是在转速-转矩坐标上对现有电动机效率测量点进行说明的图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施例进行说明。

(实施例1)

首先，对与本实施例有关的电动机的电力的关系式进行描述。无论是感应式电动机还是永磁铁式电动机，交流电动机都发挥将电能转换为工作能量的作用。但是，输入到交流电动机的输入电力Pin并不是其全部都作为工作能量发挥作用，而是一部分在电动机的内部作为损耗被消耗掉，热量和另一部分成为声音。作功的电力以输出电力Pout对与电动机连结的负载赋予转矩Tf和转速Nf。输入电力和输出电力用W(瓦特)的单位来表示。

此外，这里在设电力流向从电源侧朝向负载侧的情况为正值时，将其称为动力运行，相反，在设电力流向从负载侧朝向电源侧的情况为负值时，将其称为再生，用正负值来表示电动机的输入电力Pin(W)、电动机的输出电力Pout(W)。

在电动机为动力运行状态时，动力运行时的电动机效率ηm用式(1)来表示。

ηm＝(Pout/Pin)×100(％)…(1)

另外，当将与动力运行状态相同的测量部位表示为相同符号的输入电力Pin(W)、输出电力Pout(W)时，电动机处于再生状态时的、再生时的电动机效率ηg就成为式(2)。

ηg＝(Pin/Pout)×100(％)…(2)

接着，电动机损耗电力Ploss(W)不管是动力运行还是再生，都能够用式(3)来表示。

Ploss＝Pin-Pout(W)…(3)

电动机的成为热量基础的物理量不是电动机电流，而是电动机的总损耗Ploss。积累各个损耗来计算总损耗是需要下工夫的，但即使不知道损耗的明细，也能够得到总损耗。即，如式(3)所示，电动机的总损耗Ploss能够通过电动机的输入电力Pin减去输出电力Pout来得到。

另外，电动机输出电力Pout能够利用式(4)来求出。

Pout＝(2π/60)×Nf×Tf(W)…(4)

这里，Nf：电动机的转速(1/min)

Tf：电动机的转矩(N·m)

此外，(2π/60＝0.1047)

这里，电动机的转速Nf和转矩Tf是驱动电动机的AC伺服放大器、DCBL控制器、逆变器、矢量控制逆变器(将它们统称为电动机电力转换装置)进行控制的量，这些都能够容易地在电动机电力转换装置内进行运算。此外，在逆变器中，通过无传感器矢量控制，即使电动机没有编码器等速度传感器，也可推定电动机的转速，进行将负载变动率抑制到了较小程度的高精度速度控制。使用进行该无传感器矢量控制逆变器的内部处理的电动机的推定转速Nf，也能够计算电动机输出电力Pout。

这里，交流电动机在圆筒状的中心具有轴，不仅仅局限于该轴进行旋转的感应式电动机、永磁铁式电动机。也可以是将交流电动机的圆周状、定子侧的一处切开而制成直线，且将旋转部分设为直线往复运动的直线电动机。驱动直线电动机的AC伺服放大器、DCBL控制器、逆变器、矢量控制逆变器也可直接驱动直线电动机。由AC伺服放大器驱动的直线电动机也被称为直线伺服电动机。以下，交流电动机即使没有记载也包含直线电动机。

此外，当设到旋转体的外周为止的半径为r、作用于半径r的点的切线方向的力为F(N)时，交流电动机的转矩Tf能够用转矩Tf＝F×r(N·m)来表示。这里，将Tf＝F×r(N·m)代入式(4)中，当设直线电动机的(移动体的)移动速度为vl＝(2π×r)×Nf/60、直线电动机的推力为F(N)时，能够通过直线电动机的输出电力Pout＝(F×vl)/60(W)来计算。在AC伺服放大器中，作为旋转型电动机和直线电动机的转换常数，每个机型中都存储有半径r作为固有常数，根据推力F(N)和移动速度vl，能够计算直线电动机的输出电力Pout。

接着，电动机输入电力Pin通过运算施加于电动机的各个相电压和相电流的瞬时值积，然后用式(5)求出电动机的U、V、W相的各相电力之和来计算。

Pin＝Vu·Iu+Vv·Iv+Vw·Iw(W)…(5)

这里，当设各自的瞬时值相电压为Vu、Vv、Vw，且用Vrms表示相电压有效值、用ω表示电源的角频率、用t表示时间时，更详细地说，将下面的式(6-1)～式(6-3)和式(7-1)～式(7-3)代入式(5)中进行计算，通过式(8)，能够求出电动机的输入电力Pin。即，

Vu＝√2·Vrms·sin(ωt)(V)…(6-1)

Vv＝√2·Vrms·sin(ωt+2π/3)(V)…(6-2)

Vw＝√2·Vrms·sin(ωt+4π/3)(V)…(6-3)

另外，当设各自的瞬时值相电流为Iu、Iv、Iw，且用Irms表示相电流有效值、用φ表示相位角时，成为：

Iu＝√2·Irms·sin(ωt+φ)(A)…(7-1)

Iv＝√2·Irms·sin(ωt+2π/3+φ)(A)…(7-2)

Iw＝√2·Irms·sin(ωt+4π/3+φ)(A)…(7-3)

电动机的输入电力Pin成为式(8)。

Pin＝3·Vrms·Irms·cosφ(W)…(8)

另外，作为其他方法，因为电动机输入电力Pin与上述同样，是这些电动机电力转换装置的输出，且是自身进行控制的量，所以通过式(9)，能够容易地运算。

Pin＝√3×V×I×cosθ(W)

＝3×Vs×I×cosθ(W)…(9)

这里，V：电动机的线间电压(V)

Vs：电动机的相电压(V)

I：电动机的电流(A)

cosθ：功率因数

下面，利用附图对实施例进行说明。

图2是从反复负载使用的电动机转速、转矩对输出电力的时序图进行说明的图。a)表示电动机的转速N，b)表示转矩T，c)用电动机的输入电力Pin、输出电力Pout来表示反复负载使用的1个周期的量。a)的转速从零开始正转加速，达到一定速度后，进行再生减速，穿过零速度后，直接反转加速，达到一定速度后，进行再生减速，最后回到零速度。关于转速和转矩，以带有正负符号的形式对待正转、反转、或正侧转矩、负侧转矩。这里，在命中率为500次/min的情况下，1个周期为120ms，在连续运转的情况下，重复该过程。图2c)的电动机输出电力Pout是利用式(4)并带有符号地对图2的a)转速N和b)转矩T进行乘法运算而计算出的，在正转减速和反转减速中，因为N×T相乘后的符号为负，所以输出电力变成再生状态，电动机成为发电机状态。因此，电动机电力从负载侧流向电源侧。

另外，因为减速区域以外的输出电力的符号为正，所以变成动力运行状态，电动机成为电动机状态。在这种情况下，电动机电力从电源侧流向负载侧。接着，就电动机的输入电力Pin而言，由于在动力运行时有电动机的损耗，因此Pin＞Pout，所以图2c)的虚线所示的Pin显得比Pout大。在再生时，因为电力从负载侧流向电源的方向，所以当用绝对值进行比较时，就成为|Pin|＜|Pout|，因此在大小上是|Pin|较小。

图3是将图2的时序图作为转速-转矩坐标上的运转轨迹进行说明的图。在图的x轴上分配有转速N，在y轴上分配有转矩T。在图中添加有(1)～(6)的数字，该数字是在图2的时序图的转速N、转矩T上也添加有(1)～(6)的数字，且将图2的时序图的动作作为运转轨迹而描绘在该坐标上的数字。图2的时序图从正交坐标的原点(1)垂直上升，其后水平地朝向(2)，按顺时针旋转方向旋转一周为(3)、(4)、(5)、(6)。正交坐标分为四象限的区域，第一象限和第三象限是动力运行区域，进行电动机动作，第二象限和第四象限是再生区域，进行发电机动作。此外，在图3中，也可以将转速N为N＜0的期间设为N＝0，仅在第一象限和第四象限中移动。

图4是对动力运行时的电力流、电动机的输入输出电力、电动机损耗进行说明的图。14是交流电动机，从交流电源11供给的电源经由漏电断路器12和电磁接触器13，通过电源动力电缆20，与电动机电力转换装置10连接。从电动机电力转换装置10向交流电动机14通过电动机动力电缆19而连接。在交流电动机14中内置有编码器15，通过编码器电缆18，向电动机电力转换装置10反馈旋转位置信息。电动机输出轴16与电动机的负载即各种机械17连结，交流电动机14的动力传递给各种机械17。这里，当设电动机电力转换装置10的装置侧输入电力为Psin，且设交流电动机14的输入电力为Pin、输出电力为Pout时，电动机效率ηm根据式(1)而成为(Pout/Pin)×100(％)。接着，电动机损耗Ploss根据式(3)而成为Pin-Pout。这时，电力流从电源侧朝向负载侧，电源侧成为上游，负载侧成为下游。

图5是对再生时的电力流、电动机的输入输出电力、电动机损耗进行说明的图。电动机效率ηg根据式(2)为(Pin/Pout)×100(％)。电动机损耗Ploss用式(3)来表示，但在再生时，如图2的c)所示，是Pin＜0、Pout＜0，当用绝对值表示时，就是|Pin|＜|Pout|，所以成为Ploss＝Pin-Pout＝|Pout|-|Pin|。在带有符号的运算处理中，不管是动力运行还是再生，都是只要运算Pin-Pout即可。这时，电力流从负载侧朝向电源侧，负载侧成为上游，电源侧成为下游。

图6是对将本实施例的电动机电力转换装置应用于永磁铁式电动机而成的整体结构进行说明的图。电动机电力转换装置10包含AC伺服放大器、DCBL控制器、逆变器、矢量控制逆变器。主电路由带有电源再生功能的整流器23、逆变器28、U相、W相电流检测器CTu32、CTw33构成。此外，逆变器28构成多相逆变器29，在图中，表示相数为3的情况。永磁铁式电动机14在电动机轴上设置有位置、速度、磁极位置检测用的编码器15。这里，在永磁铁式电动机为直线电动机的情况下，代替编码器15，而在固定部设置直线传感器刻度，且在移动部以在移动上相对接近的方式设置直线传感器头，检测位置、速度。另外，在需要磁铁的磁极位置检测信号的情况下，另外安装磁极位置检测传感器。以下，在编码器中即使没有记载也包含直线电动机时的直线传感器。

此外，在电动机电力转换装置10为DCBL控制器、逆变器的情况下，编码器15不是必不可少的组件。这是因为利用无传感器DCBL电动机或通用电动机，也能够通过矢量控制来控制速度。此外，磁极位置检测是用于检测安装于电动机的转子的永磁铁的磁极位置的检测。

在带有编码器的电动机的情况下，安装于电动机轴的编码器15的输出被送至位置速度磁极位置运算器34，一个被输出至电动机的转速Nf输出，另一个将磁极位置信号θ输出至dq/三相转换电路38、三相/dq转换电路40。转速Nf被减法电路7从来自外部运算装置(上级装置)的速度指令N中减去，输出其差ε(＝N-Nf)，由速度控制器(ASR)35放大，输出转矩电流指令Iq。

永磁铁式电动机14的电流由U相电流检测器CTu32和W相电流检测器CTw33检测，成为电流反馈Iuf、Iwf信号，输入到三相/dq转换电路40中。在三相/dq转换电路40中，从三相Iuf、Iwf信号转换为用d、q轴正交来表示的Idf、Iqf信号。

转矩电流指令Iq被输出到运算与转矩电流反馈信号Iqf之差的减法电路7中，其偏差由q轴电流控制器(ACR)37放大。d轴电流指令Id是进行弱励磁时等的电流指令，在减法电路7中取与d轴电流反馈信号Idf之差，其偏差由d轴电流控制器(ACR)36放大。d轴、q轴电流控制器(ACR)36、37的输出被作为d轴、q轴电压指令Vd、Vq而输入到dq/三相转换电路38中，通过将三相电压指令Vu、Vv、Vw输出到PWM电路39，作为逆变器28的开关元件30的栅极信号被赋予，控制永磁铁型电动机14。

接着，对输出电力运算电路41进行说明。电动机电流反馈Iuf、Iwf信号由三相/dq转换电路40转换为正交的Idf、Iqf信号，由转矩运算电路44对电动机的转矩Tf进行矢量运算。将该转矩信号Tf和从位置速度磁极位置运算器34输出的转速Nf输入，由输出电力运算电路41对式(4)进行运算，得到输出电力Pout。

接着，对本实施例的一部分即动力运行再生区域检测电路22进行说明。动力运行再生区域检测电路22根据输入电力运算电路42的输出即Pin和输出电力运算电路41的输出即Pout这两个输入来运算。在图3中，通过基于转速N、转矩T的N-T坐标，通过第一象限至第四象限这四个区域，将第一、第三象限作为动力运行区域进行说明，将第二、第四象限作为再生区域进行说明。但是，转速N和转矩T的四个象限的边界由式(4)决定，转速N和转矩T的积即输出电力Pout决定边界区域，当仅监视输出电力Pout的正负符号时，存在以下问题。

即，在本实施例中，电动机的运转动作包含通过正反转来重复动力运行再生的反复负载，以准确地得到电动机的效率为目的。因此，在电力流从电源侧朝向负载侧的动力运行、还有其相反的从负载侧朝向电源侧的再生这两种状态下，在效率计算的式(1)、式(2)的分数式中，当分母变成零时，就会产生ηm或ηg成为无限大的特异点。电动机效率的最高效率为100％。虽然有在数值处理中以不超过100％的方式赋予限制的方法，但在该方法中，在输入电力Pin、输出电力Pout的值错误时，会不准确地仅用效率的数值来处理。为了避免之，作为动力运行再生的边界条件，将一边注意式(1)、式(2)的分母的值不成为零，一边使式(1)、式(2)的分子先成为零时(此时效率为零)设为边界区域的入口。关于边界区域的出口，在确认了式(1)、式(2)的分子的值从零(此时效率为零)开始反转符号且增大的时刻，确认分母的符号反转且增大，脱离边界区域，完成向新区域的移动。通过按该顺序来移动边界区域的入口、出口，效率式的分母和分子进行交换，可确保入口、出口的效率(分子变成零的效率)为零。接着，利用图8～10对该边界区域进行说明。

图8是对静摩擦转矩进行说明的图。在使物体相互接触的同时进行相对运动时，其接触面就会在阻碍运动的方向上受到力的作用。另外，一个物体在接触面上滚动的同时进行移动时，也是同样的。这些力都是摩擦力，前者被称为滑动摩擦，后者被称为滚动摩擦。另外，在物体动起来前和动起来后，摩擦力的大小是不同的，一动起来，摩擦力就会变小。将动起来前的摩擦力称为静摩擦力，在动起来以后，称为动摩擦力，图8是在转速为零的附近作为电动机转矩而测量出的静摩擦转矩Tf0。这是作为通常的静摩擦转矩来表示的。在图9、图10中可详细地看到该静摩擦转矩会带来怎样的影响。

图9是对从动力运行切换到再生时的动力运行再生边界区域进行说明的图。当将图9的切换动作套入图3的四象限区域时，是从第一象限向第四象限的动作、或从第三象限向第二象限的动作。在图9中，在将x轴设为时间、将y轴设为输入电力Pin、输出电力Pout时，表示电动机的运转状态从动力运行切换到再生区域的过渡状态的情况。在最初的动力运行状态下，输入电力Pin较大，输出电力Pout较小。作为基准，画出输入电力Pin、和输出电力Pout的平行线，但在该线上，用虚线这里要说明的Pin，用实线表示Pout。

此外，在图的下方，表示出了动力运行、再生和动力运行和再生的边界区域，且表示出了从图6所示的动力运行再生区域检测电路22向平均效率/损耗运算电路1输出的动力运行信号MS、再生信号GS的逻辑。在电动机为动力运行时，MS信号为H电平，在电动机为再生时，GS信号变成H电平，在其以外时，MS信号、GS信号均变成L电平，因此在动力运行再生的边界区域内，MS、GS信号双方都变成L电平。

作为从动力运行向再生区域的边界条件，式(1)的分母(Pin)的值从基准线起逐渐减小，慢慢地走向零。但是，将分子(Pout)先变成零的时刻(图的C1，此时效率为零)设为边界区域的入口。当Pout变成零时，Pin也快速地走向零，Pin和Pout一旦变成零，电力流就会中断。边界区域的出口在确认了式(2)的分子(Pin)的值从零(图的C2，此时效率为零)开始反转符号且增加的时刻，确认分母(Pout)的符号正在反转、增大，脱离边界区域。当将边界区域转向时，Pin、Pout就急剧地成长，沿着基准线向新的再生区域的移动完成。此外，由于电动机控制是控制转速N、转矩T的，所以输出电力Pout先行动作，输入电力Pin按照输出电力Pout的动作进行跟踪。这样，在从动力运行切换到再生时，动力运行时的分子侧的输出电力Pout穿过零而到达边界区域的入口，再生时的分子侧输入电力Pin从零开始上升，成为边界区域的出口，因此不会产生效率计算式的分母成为零的特异点。

图10是对从再生切换到动力运行时的动力运行再生边界区域进行说明的图。当将图10的切换动作套入图3的四象限区域时，就是从第四象限向第三象限的动作、或从第二象限向第一象限的动作。图10表示在将x轴设为时间、将y轴设为输入电力Pin、输出电力Pout时电动机的运转状态从再生切换到动力运行区域的过渡状态的情况。在最初的再生状态下，输出电力Pout的绝对值较大，输入电力Pin的绝对值较小。作为基准，画出输入电力Pin、和输出电力Pout的平行线，但在该线上，用虚线表示这里要进行说明的Pin，用实线表示Pout。

此外，在图的下方，表示出了动力运行、再生和动力运行和再生的边界区域，且表示出了从图6所示的动力运行再生区域检测电路22向平均效率/损耗运算电路1输出的动力运行信号MS、再生信号GS的逻辑。由于利用图9对逻辑进行了说明，因此省略。

作为从再生向动力运行区域的边界条件，式(2)的分母(Pout)的值从基准线起逐渐减小，慢慢走向零。但是，将分子(Pin)先变成零的时刻(图的C1，此时效率为零)设为边界区域的入口。当Pin变成零时，Pout也快速地走向零，Pin和Pout一旦变成零，电力流就会中断。边界区域的出口在确认了式(1)的分子(Pout)的值从零(图的C2，此时效率为零)开始反转符号且增加的时刻，确认分母(Pin)的符号正在反转、增大，脱离边界区域。

此外，这里，在图10的切换动作是从图3的第四象限向第三象限的动作、或从第二象限向第一象限的动作的情况下，当速度从正转经由零向反转移动时，就超过图8所示的静摩擦转矩。其时，通过负载转矩的变动，一边是输入电力Pin、输出电力Pout受干扰而变动，一边是Pin、Pout急剧地成长，沿着基准线向新的动力运行区域的移动完成。这样，在从再生向动力运行切换时，再生时的分子侧的输入电力Pin穿过零，到达边界区域的入口，动力运行时的分子侧输出电力Pout从零开始上升，成为边界区域的出口，因此不会产生效率计算式的分母成为零的特异点。

由以上的图9、图10可知，动力运行再生的边界区域只要监视输入电力Pin和输出电力Pout这两电力变成零的点，在从动力运行向再生或从再生向动力运行的穿过时，该2点间作为设为效率零的边界区域来运算，就不会产生特异点。动力运行、再生和动力运行和再生的边界区域由图6所示的动力运行再生区域检测电路22检测，通过动力运行信号MS、再生信号GS，向平均效率/损耗运算电路1输出。

此外，由于后面要利用图1对本实施例部分即平均效率/损耗运算电路1进行详细说明，因此这里对测量时序电路43进行说明。测量时序电路43能够在来自外部运算装置(上级装置)的DI/DO信号的输入定时，将平均效率/损耗运算电路1的、指示对电动机平均效率和电动机损耗电力量进行测量的运转期间的测量起始定时和测量结束定时、和运算结果的输出定时输入到平均效率/损耗运算电路1中。

此外，关于该测量时序电路43，能够设定参数，以使其与电动机电力转换装置10的通用I/O的伺服启动、停止中的SON信号的接通同步地开始测量，通过SON的断开结束测量，另外，在SON断开结束后输出运算结果。本功能通常即使在作为伺服功能来使用的伺服启动(SON信号接通)、伺服开始进行位置、速度控制、保持控制当前位置的伺服锁定控制、和保持施加重力的垂直轴上的当前位置的悬停动作、还有通过基于某一定速度指令的P(比例)控制动作而持续拧紧螺栓直到速度变成零为止的螺合作业等这些速度零状态下，也能够进行电动机平均效率、损耗电力量的测量。速度零状态是电动机输出电力为零，且作为电动机效率仅发生损耗的状态，但有如何在短时间内顺利地完成螺合，且将损耗抑制到最小限度等改善该状态的余地，因此更新显示电动机效率测量结果的效率零数据，且将其输出到外部运算装置(上级装置)是很重要的。

以上说明的控制逻辑电路49内的速度控制器(ASR)35、d轴和q轴电流控制器(ACR)36、37、PWM电路39以外的方框图、和平均效率/损耗运算电路1和测量时序电路43都通过被称为CPU或DSP的运算装置和软件的协作来实现。因此，本实施例中进行说明的“电路”是与通过软件处理来进行的“处理部”相同的意思，也可以互换。

图7是对本实施例的电动机的输入电力运算电路42的结构例进行说明的示意图。该例从电动机的端子电压输入相电压Vu、Vv、Vw，经由滤波电路50、绝缘放大器51检测相电压信号。另外，电动机电流通过U相、W相电流检测器CTu32、CTw33来检测Iuf、Iwf。具体地说，相电流Ivf根据三相电流Iuf+Ivf+Iwf＝0，构成为Ivf＝-(Iuf+Iwf)。控制逻辑电路49的CPU通过对上述式(5)的运算进行U、V、W各相的相电压、相电流的瞬时值积的运算，进行式(6-1)～式(6-3)的相电压和式(7-1)～式(7-3)的相电流的乘法运算。由此，CPU通过将各相的U相、V相、W相的输入电力相加，得到“三相输入电力Pin”。此外，Pout和Pin的运算不限定于上述图6、图7之例。以上是本实施例的周边部分的整体概要。

图1是对本实施例的平均效率/损耗运算电路1的结构进行说明的图。此外，图1是图6所示的平均效率/损耗运算电路1的详细图。

首先，对输入信号进行说明。设表示电动机的输入电力数据的信号为Pin，设表示电动机的输出电力数据的信号为Pout，每隔一定周期，都分别从输入电力运算电路42、输出电力运算电路41输入数据。

另外，关于某一个工序内的动作，用S/H信号将测量电动机平均效率和损耗量的期间输入。S/H信号在上升沿开始测量，在S/H信号的下降沿停止测量。S/H信号被从外部输入输出DI/DO信号经由测量时序电路43而输入。

动力运行信号MS和再生信号GS表示在电动机为动力运行时MS信号是H，在再生时GS信号是H，在MS信号和GS信号都为L时是动力运行再生的边界区域。该MS信号和GS信号由动力运行再生区域检测电路22输出。

重置输入RS是由安装于控制逻辑电路49的CPU、DSP在必要的定时进行控制的重置信号。此外，在图6中，因为是对本实施例周边的整体结构进行说明的方框图，所以省略了重置信号。

接着，对输出信号进行说明。电动机平均效率数据ηav在S/H信号的下降沿停止了测量以后，且在对某一个工序的动作期间内的电动机平均效率的数据进行了电动机效率运算处理以后，以数据的形式输出。

电动机损耗电力量PTloss与ηav同样，以某一个工序的动作期间内的电动机损耗电力量数据的形式，在与ηav相同的定时输出。

另外，关于PTmin、PTgin、PTmout、PTgout这四个信号，也是某一个工序的动作期间内的动力运行、再生以外的电动机输入输出电力量数据输出，PTmin是输入电力Pin的动力运行时的总电力量，PTgin是输入电力Pin的再生时的总电力量的数据输出。PTmout是输出电力Pout的动力运行时的总电力量，PTgout是输出电力Pout的再生时的总电力量数据输出，这些都在S/H信号的下降沿停止了测量以后，且在对电动机输入输出电力量进行了运算处理以后，进行数据输出。

动力运行时的效率和再生时的效率式利用式(1)、式(2)进行了说明。在本实施例中，电动机处理的是频繁重复动力运行再生的反复负载使用、或反复负载连续使用。这里，每当以一定周期检测输入电力和输出电力时，都要根据电动机效率式(1)或式(2)，进行完除法处理运算，在测量结束后，根据这些电动机效率数据组，计算出电动机效率平均值，因为这些操作都会在运算处理上花费时间，所以不优选。特别是在以测量起始/停止信号S/H输入的期间内，都是实时进行中的除法处理运算。另外，电动机损耗电力利用式(3)进行了说明，但如果利用在用于计算出电动机平均效率的过程中运算出的数据，可得到电动机损耗电力量，则CPU、DSP的负载率就会降低。

在本实施例中，在测量起始/停止信号S/H结束了进行电动机效率运算的除法运算处理以后，按照如下方式在处理顺序上下了工夫，以使其通过一次处理就可计算出电动机平均效率。另外，电动机损耗电力量利用的是在以下所示的用于计算出电动机平均效率的过程中运算出的上游侧总电力量、和下游侧总电力量的数据。

关于电动机平均效率，检测输入电力和输出电力，通过动力运行再生信号，动力运行时将输入电力Pin和再生时将输出电力Pout分到上游侧电力中，另外，将动力运行时的输出电力Pout和再生时的输入电力Pin分到下游侧电力中。在分到了上游侧电力和下游侧电力中以后，负极性实施绝对值处理。其后，将各者累积起来，求出上游侧总电力量和下游侧总电力量，该动作期间内的电动机平均效率ηav通过下游侧总电力量除以上游侧总电力量且通过一次除法运算来计算。

另外，电动机损耗电力由于已经求出了上游侧总电力量和下游侧总电力量，因此通过上游侧总电力量减去下游侧总电力量来计算。

当用公式来表示上述内容时，电动机平均效率ηav就成为式(10)，电动机损耗电力量PTloss成为式(13)。

ηav＝(A/B)×100(％)…(10)

这里，A：下游侧电力量(Wh)

B：上游侧电力量(Wh)

这里，下游侧电力量A和上游侧电力量B由式(11)式(12)给出。

A＝∫(动力运行时的输出电力)dt+∫(|再生时的输入电力|)dt(Wh)…(11)

B＝∫(动力运行时的输入电力)dt+∫(|再生时的输出电力|)dt(Wh)…(12)

PTloss＝B-A(Wh)…(13)

下面，沿着图1对其动作进行说明。

在图1中，电动机的输入电力Pin、输出电力Pout、和动力运行信号MS、再生信号GS被输入到同步切换电路2中。在动力运行时，动力运行信号MS成为“H”，Pin和PXin的2a开关9导通，且Pout和PXout导通，以使输入和输出平行。这时，因为处于动力运行状态，所以上游侧变成电源侧，所以PXin侧成为上游侧信号，由于下游侧变成负载侧，因此PXout成为下游侧信号。在动力运行信号MS为“L”时，2a开关9打开，输入电力Pin、输出电力Pout作为零数据来处理。

另一方面，在再生时，再生信号GS成为“H”，Pout和PXin的2a开关9导通，且Pin和PXout导通，以使输入和输出交叉。这时，因为处于再生状态，所以上游侧变成负载侧，所以PXin侧成为上游侧信号，由于下游侧变成电源侧，因此PXout成为下游侧信号。在再生信号GS为“L”时，2a开关9打开，输入电力Pin、输出电力Pout作为零数据来处理。

在动力运行再生边界区域内，动力运行信号MS和再生信号GS都成为“L”，两组2a开关9都打开，输入电力Pin、输出电力Pout都作为零数据来处理。

这样，通过动力运行MS、再生GS信号，动力运行时的输入电力Pin、再生时的输出电力Pout被分到上游侧电力中，动力运行时的输出电力Pout、再生时的输入电力Pin被分到下游侧电力中，以同步切换电路2的输出侧的信号名PXin始终成为上游侧信号、PXout始终成为下游侧信号的方式分门别类。

该同步切换电路2的输出PXin、PXout分别被输入到绝对值电路4中，负值通过绝对值处理被处理成正值，正值原封不动地被输出，作为上游侧信号PWin、下游侧信号PWout输出。

接着，上游侧信号PWin、下游侧信号PWout被输入到积分电路5中。积分电路5在测量起始/停止信号S/H变成“H”时，每隔一定周期都分别输入PWin、PWout，开始进行积分运算。积分运算在S/H变成“L”以前持续进行，如果变成“L”，则积分运算就停止，所积分的数据被保持，得到总积分电力量。

此外，当测量起始/停止信号S/H变成“L”时，在反相器门电路3的上升沿，向各个积分电路5的输出的寄存器8传送数据。该寄存器8的输出中的上游侧信号作为Pdin、下游侧信号作为Pdout被输入到除法电路6中，通过下游侧信号Pdout除以上游侧信号Pdin且进行式(10)的除法运算，输出电动机平均效率ηav。

另一方面，寄存器8的输出Pdin是上游侧信号(式(13)的B)，Pdout(式(13)的A)是下游侧信号，通过由减法电路7对式(13)进行运算，输出电动机损耗电力量PTloss。

此外，输入到平均效率/损耗运算电路1中的输入电力Pin被输入到正输出电路47和负输出电路48中，其输出分别由积分电路5进行积分，输入电力Pin的+侧的输出即动力运行侧输入电力量PTmin、-侧的输出即再生侧输入电力量PTgin被输出。同样，输出电力Pout被输入到正输出电路47和负输出电路48中，其输出分别由积分电路5进行积分，输出电力Pout的+侧的输出即动力运行侧输出电力量PTmout、-侧的输出即再生侧输出电力量PTgout被输出。另外，在平均效率/损耗运算电路1中，记录有由测量时间计时器45在测量起始/停止信号S/H为H电平期间测量出的运转时间，运转时间数据也与各种输出数据ηav、PTloss、PTmin、PTgin、PTmout、PTgout一同被输出。

上述已说明的PTmin、PTgin、PTmout、PTgout分离为动力运行、再生2种，再分别分离为输入电力量、输出电力量2种，从而分别为4种信号。该理由是，仅通过某一个工序的动作期间内的电动机的平均效率ηav、电动机损耗电力量PTloss，不会知道电动机的负载的状态，例如，摩擦负载或重力负载、惯性负载或风水力负载等负载的倾向。另外，不会知道负载是重负载还是轻负载，动力运行运转或再生运转的频率是低还是高。这是为了通过将它们分离为4种信号，可知哪个信号大哪个信号小，根据其数值，可知负载的倾向，可推定出是进行节能运转还是浪费多的运转。

此外，根据该4种信号，能够通过式(14)、式(15)的运算，来求出相当于图1的上部所示的寄存器8的输出的上游侧信号Pdin、和寄存器8的输出的下游侧信号Pdout的信号。这里，PTgout和PTgin为负值。

Pdin＝PTmin+(PTgout的绝对值)＝PTmin-PTgout(wh)…(14)

这里，PTmin：动力运行时的输入电力量(wh)

PTgout：再生时的输出电力量(wh)

Pdout＝PTmout+(PTgin的绝对值)＝PTmout-PTgin(wh)…(15)

这里，PTmout：动力运行时的输出电力量(wh)

PTgin：再生时的输入电力量(wh)

此外，因为由上式计算出的Pdin相当于式(10)的B，Pduot相当于式(10)的A，所以电动机平均效率ηav和电动机损耗电力量PTloss也可以根据4种信号PTmin、PTgin、PTmout、PTgout，被取入外部运算装置中，求出式(14)、式(15)，进而通过对式(10)和式(13)进行运算，来实现图1的上图所示的内容。另外，作为使外部运算装置(上级装置)进行运算的例子，表示在图18、图19中。

图18是对本实施例的平均效率/损耗运算电路的其他结构进行说明的图。在图18中，图1的平均效率/损耗运算电路1的结构中的、积分电路5以后的处理以使外部运算装置(上级装置)100进行运算的方式构成，其余处理作为电动机电力转换装置内的平均效率/损耗运算电路1-1而构成。另外，图19是对将本实施例的电动机电力转换装置应用于永磁铁式电动机的其他整体结构进行说明的图。在图19中，图6的平均效率/损耗运算电路1全都以使外部运算装置(上级装置)100进行运算的方式构成。由此，能够降低电动机电力转换装置内的处理。

以上已说明的平均效率/损耗运算电路1内的同步切换电路2、绝对值电路4、积分电路5、除法电路6、减法电路7、正负输出电路47、48和开关9都可通过被称为CPU或DSP的运算装置和软件的协作来实现。

图11是用于对图1的动作进行说明的时序图。在图11中，a)表示电动机平均效率/损耗运算的测量起始/停止信号S/H的电平。表示对测量起始/停止信号S/H为“H”期间中的电动机运转动作的平均效率/损耗量进行测量的情况。b)表示在以电动机转速N为正负1个循环的梯形运转图案(pattern，模式)进行运转时，其时的电动机转矩T的动作。

图11c)表示由式(4)根据b)的电动机转速N、转矩T对输出电力Pout进行运算所得的值、由图7所示的输入电力运算电路42检测输入电力Pin所得的值。实线为电动机的输出电力Pout，虚线为输入电力Pin。

图11的d)、e)是动力运行信号MS、再生信号GS，且是动力运行再生区域检测电路22的输出信号。图11的f)是同步切换电路2的输出的上游侧电力PXin的波形。因为通过同步切换电路2的动作，在动力运行时，上游侧成为电动机的输入电力，所以将PXin和Pin(虚线所示的)的开关9接通，因为在再生时，上游侧为输出电力，所以将PXin和Pout(实线所示的)的开关9接通。

图11的g)是同步切换电路2的输出的下游侧电力PXout的波形。因为通过同步切换电路2的动作，在动力运行时，下游侧成为电动机的输出电力，所以将PXin和Pout(实线所示的)的开关9接通，因为在再生时，下游侧为输入电力，所以将PXin和Pin(虚线所示的)的开关9接通。

图11的h)是绝对值电路输出后的上游侧电力、PWin，且是对f)的波形进行了绝对值处理的波形。另外，图11的i)是绝对值电路输出后的下游侧电力PWout，且是对g)的波形进行了绝对值处理的波形。

图11的h)、i)信号通过在此后由积分电路5进行积分而成为上游侧电力量和下游侧电力量。

图12是对通过其他结构来实施本实施例的平均效率/损耗运算电路1的一例进行说明的图。与图1的不同之处在于，图1的同步切换电路2和绝对值电路4的部分在图12中被替换为同步切换整流电路21，且图1的绝对值电路4在图12中串联地插入交叉的开关9内的结构。这是由于在再生时输入电力Pin、和输出电力Pout双方都成为负极性，因此在再生时接通且交叉的2a开关9中串联地插入有绝对值电路4的结构。由此，仅在再生时，执行绝对值处理。对图1的动作进行说明的时序图11的流程在图12中也不变，因此共用图11的时序图。

此外，利用图12进行了说明的平均效率/损耗运算电路1内的同步切换整流电路21、绝对值电路4、积分电路5、除法电路6、减法电路7、正负输出电路47、48和开关9都可通过被称为CPU或DSP的运算装置和软件的协作来实现。

图20是表示现有电动机效率测量方法的图。电动机制作工厂的效率评价的方法是，将被试验用电动机14安装在L形电动机安装台71上，在电动机输出轴上，用连结器73通过转矩拾取器74而连结有模拟负载装置75。使要评价的被试验用电动机14以额定转速进行运转，在调节了模拟负载装置75以使被试验用的电动机成为额定转矩以后，进行温度上升试验，在被试验用电动机绕组的温度上升值饱和以后，从电力计中读取被试验用电动机14的输入电力，输出电力通过(额定转矩×输出轴的转速)乘以式(4)的比例系数来求出，且利用动力运行时的电动机额定时的效率＝(输出电力/输入电力)×100(％)而计算出。此外，该电动机效率测量因为没有为了由最终用户实施而施加负载的模拟负载装置，所以是不可能的。

图21是在转速-转矩坐标上对现有电动机效率测量点进行说明的图。由要评价的试验用电动机14实施的电动机效率测量的运转条件是将转矩设为额定转矩(+T₁₀₀)且恒定不变，将转速设为额定转速(+N₁₀₀)且恒定不变，仅在动力运行状态下实施。图21是将运转点表示在转速-转矩坐标上的图，运转点是图中的一点，未给出速度的变化。

图13是对本实施例的电动机效率测量方法进行说明的结构图。用户的请求是通过在最终端用户的现场使用的负载机械，且通过实际运转的反复负载图案本身，由伺服放大器、DCBL控制器、逆变器、矢量控制变频驱动电动机，一边在生产线上移动，一边测量自身电动机的效率。因此，在本实施例中，不使用模拟负载，而是利用电动机的转子惯性矩，在正反运转时，通过改变加速度，使电动机转矩的大小可变，在产生了0～额定转矩～最大转矩例如0～100％～300％的同时，测量电动机的效率。

即，对给予电动机的速度指令给予加速度或旋转加速度，通过由电动机转子的惯性产生的加减速转矩、反复进行加减速的电动机转速，运算电动机的输出电力，测量电动机的效率。此外，在负载有摩擦负载等的情况下，通过除改变对应于摩擦负载的转矩以外，还要改变加速度，能够使加速度转矩增加。在冲孔机或表面安装机中，进行的是命中率约500次/min的动作、产距时间为0.18秒/芯片的高速化安装，这是行业最快水平的动作，足够产生转矩。图13是采用如下结构的图，即，以不将电动机效率测量条件限制在用户机械上的方式从机械上拆下电动机，在电动机单体、或电动机输出轴上安装负载圆盘，能够改变正反运转时的加速度。

首先，在交流电动机14上安装L形电动机安装台71，电动机输出轴开放，保持自由状态。但是，在旋转部还需要惯性矩的情况下，将负载圆盘72安装在电动机输出轴上。这里，安装负载圆盘72的理由是，在电动机的转子惯性矩较小的情况下，电动机的加速时间和减速时间变小。在本实施例中，在加速、减速中检测电动机的输入电力Pin、输出电力Pout，但其检测周期是由微机或DSP软件的负载率决定的一定的采样周期。采样周期因为是某一定的时间间隔，所以当加速或减速时间小时，采样次数就不足，无法得到连续数据，分辨率下降。在这种情况下，在电动机输出轴上安装负载圆盘72，通过合成的转子惯性矩，增大加速、减速时间，增大采样次数，由此来提高分辨率。此外，今后当微机或DSP的处理能力提高时，采样时间能够缩短，采样次数能够增加，因此即使没有负载圆盘72，分辨率也能够提高。

接着，驱动电动机的电动机电力转换装置10只要使用交付给用户的电动机电力转换装置10即可，其指令装置只要准备外部设定器70即可。此外，该外部设定器70不是必需的。能够从内置于电动机电力转换装置10的效率/损耗测量指令电路69发出指令。

图14是在图6的电动机电力转换装置的整体结构图上追加了效率/损耗测量指令电路的结构图。由图14对图6追加的部分是在电动机电力转换装置10的速度指令N中设有能够进行内部设定的效率/损耗测量指令电路69，且追加了切换外部速度指令输出和内部设定输出的切换SW68的部分。由此，能够从电动机电力转换装置10内的效率/损耗测量指令电路69中，通过切换SW68来测量电动机平均效率/损耗电力量。另外，如果将切换SW68切换到外部速度指令侧，则通过实际使用的负载机械，且通过实际运转的反复负载图案本身，能够一边在生产线上移动，一边测量电动机的效率。

图15是对在正反动力运行再生运转中测量电动机平均效率的时序图进行说明的图。在图15中，对将切换图14的外部速度指令和内部速度指令的切换SW68设置在内部速度指令侧的情况进行说明。当发出了内部速度指令时，能够不将电动机效率测量条件限制在用户机械上，而是从机械上拆下电动机，在电动机单体、或在电动机上安装负载圆盘，测量电动机平均效率。

图15的a)表示电动机平均效率/损耗运算的测量起始/停止信号S/H的电平。表示对测量起始/停止信号S/H为“H”期间中的电动机运转动作的平均效率/损耗量进行测量的情况。另外，将测量起始/停止信号S/H的反转信号表示在其下方，表示图1、图12的反相器门电路3的输出、向寄存器8、除法电路6的输入信号。

图15b)表示以正负交替重复电动机转速N的三角波形图案进行运转的动作。电动机转矩交替地设定有正额定转矩+T₁₀₀、负额定转矩-T₁₀₀。而且，速度指令设定为超过正额定转速+N₁₀₀的+NA、超过负额定转速-N₁₀₀的-NA。

最初，速度指令设定为+NA，在实际速度N从零开始加速且达到了正额定转速+N₁₀₀时，将速度指令从正转的+NA切换到反转的-NA，将电动机转矩切换到负额定转矩-T₁₀₀。通过该切换操作，实际速度从+N₁₀₀向速度零减速，在穿过了零速度以后，向反转侧加速。而且，在实际速度达到了-N₁₀₀时，将速度指令从反转的-NA切换到正转的+NA。当通过该切换操作将电动机转矩切换到正额定转矩+T₁₀₀时，实际速度就从-N₁₀₀转为反转减速，实际速度变成零。当穿过了零速度时，向最初的正额定转速+N₁₀₀加速，重复该循环(参照图15的b)的转矩T和转速N)。图15是因以2个循环给出了测量起始/停止的S/H信号(参照图15的a))而测量该期间的电动机平均效率/损耗电力量的图。

这里，因为由图15给出的电动机转矩交替地重复正额定转矩+T₁₀₀和负额定转矩-T₁₀₀，所以当计算给予电动机的有效转矩时，就成为+T₁₀₀，如果仅关注转矩，则成为与图21的现有电动机效率测量方法相同的额定转矩+T₁₀₀。在现有电动机效率测量方法中，在电动机输出轴上，通过连结器73而连结有转矩拾取器74，而且与模拟负载装置75连结，调节模拟负载装置75，以使被试验用的电动机转矩成为额定转矩+T₁₀₀。

其中，在现有方法中，转速是恒定的额定转速+N₁₀₀。但是，在本实施例中，从零速度开始直线加速到正额定转速+N₁₀₀，接着，向负转速-N₁₀₀直线减速，穿过零速度以后，反转且直线加速，达到-N₁₀₀。其后，反转减速，穿过零速度。以后，重复这一点是不同的。关于本实施例的转速，可以说是比现有方法更严酷的状态下的效率测量，但冲孔机或表面安装机等的动作是现实的运转状态，可以说接近本来的伺服电动机的运转。图15c)的输入电力Pin、输出电力Pout是图15b)的转速N和转矩T的积乘以式(4)的比例常数而得到的。图15d)动力运行MS信号、图15e)再生GS信号和、图15f)上游侧电力PWin、图15g)下游侧电力PWout与图11同样地被处理，如图15所示。此外，上述对以正负交替地重复电动机转速N的三角波形图案进行运转的动作进行了说明，但也可以是没有负的仅是正的三角波形图案。

图16是说明在转速-转矩坐标上对图15的时序图进行上游、下游电力的积分的图。在x轴为转速N、y轴为转矩T的正交坐标中，第一象限和第三象限是动力运行区域，第二象限和第四象限是再生区域。图16是将图15的时序图的动作描画在N-T坐标上作为运转轨迹的图。首先，从原点开始，按第一象限→第四象限→第三象限→第二象限顺序，顺时针旋转二周后停止。测量起始/停止的S/H信号在该二周期间为“H”，测量电动机效率/损耗。这里，作为一例，将转速N从零到+额定转速之间分割为30个区间，第一象限在从P100到P130的点上测量电动机的输入电力Pin和输出电力Pout。此外，P1的P是指点，1指的第一象限。

转速-转矩坐标上的运转轨迹由于转矩为正额定转矩+T₁₀₀且恒定(原文有加速)，因此转速N从零开始瞬时垂直地上升，增大到+N₁₀₀以后，向点编号P100、P101、····P129、P130且水平向右移动。因为当超过P130时，就接着移至减速动作，所以瞬时向第四象限的P400且垂直向下移动，其后，移至P401、····P429、P430，转矩为负额定转矩-T₁₀₀且恒定，转速从+N₁₀₀开始减小，在坐标上水平地从右向左移动。点P430与P300是同一点，转速变成零，旋转方向从正转移至反转。从这里进入第三象限，按P301、P302、····P329、P330顺序，进一步向左移动，转速达到负额定转速。这里，由于转矩变化到+T₁₀₀，因此朝向垂直方向正上方，向P₂₀₀移动。其后，按P201、····P228、P229、P230(与P100是同一点)水平地从左向右移动，转速回到零，在转矩保持在+T₁₀₀恒定的状态下，再次水平地从左向右移动，再将其余的绕一周。

在四个象限的内侧记载有几个上游信号和下游侧信号。因为第一象限和第三象限是动力运行区域且相同，所以上游信号为Pin，下游信号为Pout。另外，因为第二象限和第四象限是再生区域且相同，所以上游信号为Pout，下游信号为Pin。由于上游信号是按照上游信号进行积分的，因此图中用实线且用椭圆包围来表示。按第一→第四→第三→第二象限的顺序，上游信号按Pin→Pout→Pin→Pout交替地进行积分。另一方面，下游侧信号在图中用虚线且用椭圆来包围，交替地积分与上游信号相反的信号。

这里，如果每一个点都是动力运行区域，则利用式(1)，计算出电动机效率ηm，运算第一象限的从P101到P130这30个数据的效率，另外，如果是第四象限且是再生区域，则利用式(2)，计算出电动机效率ηg。运算P400～P429这30个数据的效率，同样，在第三象限也运算30个数据的效率，在第二象限也运算30个数据的效率，进而，再重复一周量的同样的操作，当求出合计240数据的效率的平均值时，就得到测量起始/停止期间内的电动机平均效率。但是，该方法每次都包含除法运算，需要花费CPU或DSP的运算处理时间。因此，在本实施例中，在将电动机的输入电力、输出电力分到了上游侧电力和下游侧电力以后，分别进行积分(处理上为相加)，在进行了绝对值处理以后，分别合计起来，作为电力量，最后，通过运算一次下游侧电力量/上游侧电力量的除法运算，计算出电动机平均效率。

回到图15，通过正负动力运行再生的额定转矩，能够准确地得到与转速0～正负转速的测量期间2个周期量的电动机效率数据240相当的平均效率。此外，关于转速零的P100(与P230是同一点)、P430(与P300是同一点)和从超过转矩零的P130向P400的垂直向下的移动、从P330向P200的垂直向上的移动这一周期4处(2周期8处)，都是利用图9、图10进行了说明的动力运行再生边界区域，所以效率的分母、分子都作为零来处理，因此不会产生特异点。

在以上的说明中，在x轴为转速、y轴为转矩的坐标上，将动力运行、再生的正负额定转矩且转速0～正负转速的区域设为从第一象限到第四象限这四个象限，但未必需要四个象限。动力运行、再生状态能够在第一象限和第四象限这两个象限的组合中产生、或在第三象限和第二象限这两个象限的组合中产生。因此，电动机的平均效率、电动机损耗电力量的计算能够在动力运行、再生的正负额定转矩和转速零～正额定转速之间、或动力运行、再生的正负额定转矩和转速零～负额定转速之间的区域内进行测量。进而，能够在动力运行、再生的正负额定转矩和某任意的正转速、正额定转速之间、或动力运行、再生的正负额定转矩和某任意的负转速、负额定转速之间的区域内进行测量。

图17是对惯性矩(电动机+负载)的降低和输入输出电力量之间的关系进行说明的图。在图17中，作为一例，在降低了高速往复行驶机械用驱动电动机的(电动机+负载)的惯性矩的情况下，观察如何测量。在图17中，在x轴上分配有(电动机+负载)惯性矩，在y轴上分配有输入电力量PTin、输出电力量PTout。输入电力量PTin和输出电力量PTout是根据图1、图12的平均效率/损耗运算电路1的输出信号作为PTin＝PTmin+(PTgin的绝对值)、PTout＝PTmout+(PTgout的绝对值)计算出的。设通常驱动的(电动机+负载)的惯性矩为J₀，这时，高速往复行驶的结果是，得到输出电力量PTout0、输入电力量PTin0。

接着，进行改进，将惯性矩降低到J₁，进而降低到J₂，高速往复行驶的结果是，在J₁中，得到输出电力量PTout1、输入电力量PTin1，然后，在J₂中，得到输出电力量PTout2、输入电力量PTin2。这里已知的是，关于进行高速动作的电动机的转矩，当降低惯性矩，则电动机的加减速转矩就与其成正比地降低。当转矩降低时，电动机输出电力(动力)也降低。同样，电动机输入电力(消耗电力)也降低。因此如图所示，可知当将惯性矩从通常(初始值)J₀降低到J₁、进而降低到J₂时，输出电力量如黑圆圈所示地推移，输入电力量如白圆圈所示地推移。该结果是，电力量的降低量如粗框箭头所示成为较大的值，节能效果增大。

根据以上说明，在本实施例中，在高速正反转，且在重复动力运行、再生状态的反复负载连续使用下运转的电动机中，能够实现为节能而变成最佳的加工条件、或电动机效率低，在实际使用的现场机械中，能够使实际运转的反复负载图案例如命中率或产距时间比通常高或低，另外，能够使进行移动的工件比通常轻量化，或者一边在生产线上移动，一边用电动机电力转换装置准确地测量电动机的效率、损耗电力量。

此外，在现有的电动机效率的测量方法中，即使降低惯性矩，其结果也不会在数据上出现变化。但是，在本实施例中，因为采用的是交替地重复正负转矩，且使转速加减速到零～正负额定转速、或最高转速的方法，所以当降低惯性矩时，电动机的加减速转矩就与其成正比地降低。其结果是，在本实施例中，能够作为数据输出，且进行显示。

现有的电动机效率或输入输出电力量的测量方法由于以恒定的额定转矩和额定(最高)转速来测量电动机效率，因此当将其设为基于静特性的效率测量方法时，以正负额定转矩使转速零～额定速度进行加减速而测量效率的方法也被称为基于动特性的效率测量方法。

另外，在实际生产线的负载机械中，在通过实际运转指令而运转时，能够进行上述测量。另外，能够将电动机从机械上拆下，并在电动机单体、或电动机上安装负载圆盘，用户机械不受电动机电力转换装置的内部指令限制，选择用于进行上述测量的电动机平均效率/损耗电力量的测量专用指令。

如上所述，本实施例是一种电动机电力转换装置，具有如下结构，包括：同步切换电路，其在将在电动机中流动的电流的、从电源向负载侧的流向作为动力运行、从负载向电源侧的流向作为再生时，就电动机的一个工序内的动作而言，在动力运行时，使电动机的输入电力检测值为上游侧电力，使电动机的输出电力检测值为下游侧电力，在再生时，使输出电力检测值为上游侧电力，使输入电力检测值为下游侧电力；绝对值电路，其对上游侧电力和下游侧电力进行绝对值处理；积分电路，其分别对绝对值处理后的上游侧电力和下游侧电力进行积分，将各自的积分值作为上游侧电力量和下游侧电力量输出；除法电路，其通过下游侧电力量除以上游侧电力量，求出电动机平均效率；减法电路，其通过上游侧电力量减去下游侧电力量，求出电动机损耗电力量。

由此，能够将电动机的输入电力或输出电力分到上游侧电力、下游侧电力中，基于运算式，计算出电动机的平均效率、损耗电力量、输入输出电力量。

这些都能够在实际生产线的负载机械中，在通过实际运转指令而运转时，计算出电动机的平均效率、损耗电力量、输入输出电力量，另外，能够将电动机从机械上拆下，在电动机单体、或电动机上安装负载圆盘，基于动特性的电动机的平均效率、损耗电力量、输入输出电力量切换为电动机电力转换装置的内部设定，从而简单地运转。因此，能够明确地识别电动机的效率是否差、电动机损耗电力量或、输入输出电力量是否大。由此，可得到容易改善电动机效率、改善电动机损耗电力量、输入输出电力量这种效果。另外，能够提供一种能够在电动机频繁重复动力运行、再生状态的运转动作中准确地计算出电动机平均效率和电动机损耗电力量的电动机电力转换装置。

此外，本发明不限定于上述实施例，包含种种变形例。例如，上述的实施例是为容易理解地说明本说明而进行了详细说明的实施例，不必限定于具备所说明的所有结构。

附图标记说明

1：平均效率/损耗运算电路

2：同步切换电路

3：反相器门电路

4：绝对值电路

5：积分电路

6：除法电路

7：减法电路

8：寄存器

9：开关

10：电动机电力转换装置

11：交流电源

12：漏电断路器

13：电磁接触器

14：交流电动机(永磁铁式电动机、试验用电动机)

15：编码器

16：电动机输出轴

17：各种机械

18：编码器电缆

19：电动机动力电缆

20：电源动力电缆

21：同步切换整流电路

22：动力运行再生区域检测电路

23：带有电源再生功能的整流器

24：全波整流用转换器

25：电源再生转换器

26：再生用交流电抗器

27：平滑电容器

28：逆变器

29：多相逆变器

30：开关元件

31：续流二极管

32：U相电流检测器CTu

33：W相电流检测器CTw

34：位置速度磁极位置运算器

35：速度控制器(ASR)

36：d轴电流控制器(ACR)

37：q轴电流控制器(ACR)

38：dq/三相转换电路

39：PWM电路

40：三相/dq转换电路

41：输出电力运算电路

42：输入电力运算电路

43：测量时序电路

44：转矩运算电路

45：测量时间计时器

47：正输出电路

48：负输出电路

49：控制逻辑电路

50：滤波电路

51：绝缘放大器

52：乘法运算器

53：反相放大器

54：加法器

55：三相输入加算运算器

68：切换SW

69：效率/损耗测量指令电路

70：外部设定器

72：负载圆盘

100：外部的运算装置(上级装置)。

Claims (8)

1.一种电动机电力转换装置，其特征在于，具有：

同步切换电路，其在将在电动机中流动的电流的、从电源向负载侧的流向作为动力运行、从负载向电源侧的流向作为再生时，就所述电动机的一个工序内的动作而言，在动力运行时，使所述电动机的输入电力检测值为上游侧电力，使所述电动机的输出电力检测值为下游侧电力，在再生时，使所述输出电力检测值为上游侧电力，使所述输入电力检测值为下游侧电力；

绝对值电路，其对所述上游侧电力和所述下游侧电力进行绝对值处理；

积分电路，其分别对所述绝对值处理后的上游侧电力和下游侧电力进行积分，将各自的积分值作为上游侧电力量和下游侧电力量输出；

除法电路，其通过所述下游侧电力量除以所述上游侧电力量，求出电动机平均效率；和

减法电路，其通过所述上游侧电力量减去所述下游侧电力量，求出电动机损耗电力量。

2.如权利要求1所述的电动机电力转换装置，其特征在于：

所述绝对值电路仅在所述再生时实施所述绝对值处理。

3.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：

具有动力运行再生区域检测电路，其输出表示处于所述动力运行时的动力运行信号和表示处于所述再生时的再生信号作为向所述同步切换电路的输入，

所述动力运行再生区域检测电路设有所述动力运行信号和所述再生信号的切换时的边界区域，在从所述电动机的所述动力运行向所述再生切换时，将所述电动机的输出电力成为零的时刻作为所述边界区域的入口，将所述电动机的输入电力检测为零的时刻作为所述边界区域的出口，在从所述再生向所述动力运行切换时，将所述电动机的输入电力成为零的时刻作为所述边界区域的入口，将所述电动机的输出电力检测为零的时刻作为所述边界区域的出口，在所述边界区域内，在所述同步切换电路中将所述电动机的输入电力和输出电力设为零。

4.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：

具有运算所述电动机的输出电力的输出电力运算电路，

该输出电力运算电路在将所述电动机的输出轴开放或在所述电动机的输出轴上安装有负载圆盘的状态下，对给予所述电动机的速度指令赋予加速度或旋转加速度，利用因所述电动机的转子或所述电动机的转子和所述负载圆盘的惯性而产生的加减速转矩、和反复进行加减速的电动机转速，运算所述电动机的输出电力，

使用该电动机的输出电力，由所述除法电路测算所述电动机平均效率，

使用该电动机的输出电力，由所述减法电路测算所述电动机损耗电力量。

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，包括：

测量指令电路，其对于电动机单体或在电动机输出轴上安装有负载圆盘的电动机，将电动机转矩限制为正和负的额定转矩，具有正负任意2种速度指令，并交替地进行如下切换：在检测出向所述正负任意2种速度指令去的中途的速度时，切换到反转侧的所述正负任一个速度指令，在检测出反转侧的中途的速度时，切换到正转侧的所述正负任一个速度指令；和

切换电路，其输入在实际使用的负载机械中运转的反复负载图案的运转指令，切换为来自所述测量指令电路的速度指令。

6.如权利要求5所述的电动机电力转换装置，其特征在于：

将向所述正负任意2种速度指令去的中途的检测速度作为任意转速和正负额定转速，

所述电动机平均效率和所述电动机损耗电力量是所述电动机为额定转矩、且所述转速为从包含零在内的任意转速到正负额定转速的范围的值。

7.一种电动机电力转换系统，其包括转换要输入到电动机的电力的电动机电力转换装置和向该电动机电力转换装置输出指令的上级装置，其特征在于：

所述电动机电力转换装置具有：运算所述电动机的输出电力的输出电力运算处理部、运算所述电动机的输入电力的输入电力运算处理部、和平均效率/损耗运算处理部，

该平均效率/损耗运算处理部具有：

同步切换电路，其在将在电动机中流动的电流的、从电源向负载侧的流向作为动力运行、从负载向电源侧的流向作为再生时，就所述电动机的一个工序内的动作而言，在动力运行时，使所述电动机的输入电力检测值为上游侧电力，使所述电动机的输出电力检测值为下游侧电力，在再生时，使所述输出电力检测值为上游侧电力，使所述输入电力检测值为下游侧电力；和

绝对值处理部，其对所述上游侧电力和所述下游侧电力进行绝对值处理，

所述上级装置具有：

积分处理部，其分别对所述绝对值处理后的上游侧电力和下游侧电力进行积分，将各自的积分值作为上游侧电力量和下游侧电力量输出；

除法处理部，其通过所述下游侧电力量除以所述上游侧电力量，求出电动机平均效率；和

减法处理部，其通过所述上游侧电力量减去所述下游侧电力量，求出电动机损耗电力量。

8.一种电动机电力转换系统，其包括转换要输入到电动机的电力的电动机电力转换装置和向该电动机电力转换装置输出指令的上级装置，其特征在于：

所述电动机电力转换装置具有运算所述电动机的输出电力的输出电力运算处理部和运算所述电动机的输入电力的输入电力运算处理部，

所述上级装置具有平均效率/损耗运算处理部，

该平均效率/损耗运算处理部具有：

同步切换电路，其在将在电动机中流动的电流的、从电源向负载侧的流向作为动力运行、从负载向电源侧的流向作为再生时，就所述电动机的一个工序内的动作而言，在动力运行时，使所述电动机的输入电力检测值为上游侧电力，使所述电动机的输出电力检测值为下游侧电力，在再生时，使所述输出电力检测值为上游侧电力，使所述输入电力检测值为下游侧电力；

绝对值处理部，其对所述上游侧电力和所述下游侧电力进行绝对值处理；

积分处理部，其分别对所述绝对值处理后的上游侧电力和下游侧电力进行积分，将各自的积分值作为上游侧电力量和下游侧电力量输出；

除法处理部，其通过所述下游侧电力量除以所述上游侧电力量，求出电动机平均效率；和

减法处理部，其通过所述上游侧电力量减去所述下游侧电力量，求出电动机损耗电力量。