CN110915128A - 电动机驱动装置以及冷冻循环应用设备 - Google Patents

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Abstract

对切换电动机(7)的接线状态的接线切换装置(60)的电源的电气量或者与其连动的至少1个电气量进行检测(90),根据该检测的结果,检测或者预测切换电源的电压的降低,进而,根据该检测或者预测的结果,以在切换电源的电压(V60)变得低于接线切换装置的动作所需的最低的电压之前使电动机停止的方式控制逆变器。能够防止接线切换装置的故障。

Description

电动机驱动装置以及冷冻循环应用设备
技术领域
本发明涉及电动机驱动装置以及具备该电动机驱动装置的冷冻循环应用设备。
背景技术
以往,已知有如下电动机驱动装置,该电动机驱动装置具备:接线切换装置,将电动机的定子绕组切换为多个不同的接线状态中的任意接线状态;逆变器,驱动上述电动机;以及控制部,控制上述逆变器,上述控制部检测包括直流母线的过电压、欠电压的异常电压而使逆变器停止(例如专利文献1)。
另外,还已知有如下磁悬浮旋转机,该磁悬浮旋转机具备逆变器,该逆变器对转子被磁轴承支承的交流电动机进行驱动并在停电时进行交流电动机的再生运转,通过将在停电时通过再生运转产生的再生电力经由直流母线供电给磁轴承驱动装置,持续进行利用磁轴承的转子的支承直至转子达到安全速度以下,从而避免高速旋转中的转子接触固定部(例如专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2008-228513号公报
专利文献2:日本特开平1-74081号公报
发明内容
在专利文献1记载的技术中,作为接线切换装置,有时使用利用电磁作用机械性地使接点接通/断开的电磁接触器。电磁接触器在其电源断电的情况下返回到固定的连接状态。在由于停电等而交流电源断电的情况下,有时用于驱动电磁接触器的电源也断电而电磁接触器的连接状态发生切换。如果在驱动电动机的逆变器停止之前电磁接触器发生切换,则有可能在接点间发生电弧放电,接点熔敷而导致故障。
在专利文献2记载的技术中,在来自交流电动机的再生电流在直流母线中流过的状态下,有时由于停电而其他设备的动作停止,因此可能会无法安全地停止设备。
以上,说明了接线切换装置包括电磁接触器的情况,但在半导体开关中也存在同样的问题。即,半导体开关在流过大的电流的状态下发生导通/截止状态间的切换时发生浪涌电压而可能会被破坏。
本发明是鉴于上述情形而完成的,其目的在于提供一种在通过接线切换装置切换电动机的绕组的接线状态的电动机驱动装置中即使由于停电等而切换电源电压降低也能够保护接线切换装置的可靠性高的电动机驱动装置。
本发明的电动机驱动装置具有:
接线切换装置,对能够切换绕组的接线状态的电动机的所述接线状态进行切换;
控制电源生成电路,对所述接线切换装置供给切换电源;
逆变器,对所述电动机施加频率及电压值可变的交流电压;
控制装置,控制所述逆变器及所述接线切换装置;以及
电气量检测部,检测所述切换电源的电气量(electric quantity)或者与该电气量连动的至少1个电气量,
在所述切换电源的电压变得低于所述接线切换装置的动作所需的最低的电压之前,使所述电动机停止。
根据本发明,以在切换电源的电压变得低于接线切换装置的动作所需的最低的电压之前使电动机停止的方式控制逆变器,所以能够防止接线切换装置的故障。因此,能够延长电动机驱动装置的寿命。从其他角度来看,能够用更廉价的部件构成接线切换装置以实现期望的耐久性,能够降低电动机驱动装置的成本。
附图说明
图1是示出空气调和机的冷冻循环的一个例子的概略图。
图2是示出本发明的实施方式1的电动机驱动装置的图。
图3是示出图2的逆变器的结构的图。
图4是详细示出图1的电动机的绕组和接线切换装置的布线图。
图5是示出图2的接线切换装置的切换器的详细内容的布线图。
图6的(a)以及(b)是概念性地示出电动机的不同的接线状态下的绕组的图。
图7是示出在实施方式1中使用的控制装置的一个例子的功能框图。
图8是示出以往的电动机驱动装置的动作的波形图。
图9是示出以往的电动机驱动装置的动作的波形图。
图10是示出实施方式1中的电动机驱动装置中的电气量检测部和与电气量检测部连接的部分的图。
图11是示出实施方式1的电动机驱动装置的动作的波形图。
图12是示出本发明的实施方式2中的电动机驱动装置中的电气量检测部和与电气量检测部连接的部分的图。
图13是示出实施方式2的电动机驱动装置的动作的波形图。
图14是示出本发明的实施方式3中的电动机驱动装置中的电气量检测部和与电气量检测部连接的部分的图。
图15是示出实施方式3的电动机驱动装置的动作的波形图。
图16是示出实施方式3的电动机驱动装置的变形例的动作的波形图。
图17是示出电动机的转速和反电动势的关系的图。
图18是示出本发明的实施方式4中的电动机的绕组和接线切换装置的布线图。
图19是示出本发明的实施方式5中的电动机的绕组和接线切换装置的布线图。
(符号说明)
2:电动机驱动装置;4:交流电源;7:电动机;8:电抗器;10:整流电路;20:电容器;30:逆变器;60:接线切换装置;80:控制电源生成电路;85:母线电流检测单元;90:电气量检测部;100:控制装置;102:运转控制部;110:逆变器控制部;900:冷冻循环;902:四通阀;904:压缩机;906:室内热交换器;908:膨胀阀;910:室外热交换器。
具体实施方式
以下,参照附图,说明本发明的实施方式的电动机驱动装置以及具备该电动机驱动装置的冷冻循环应用设备。此外,本发明不被以下所示的实施方式限定。
冷冻循环应用设备的一个例子是空气调和机,以下的实施方式是将本发明应用于对空气调和机的压缩机进行驱动的电动机的驱动装置的实施方式。
首先,参照图1,说明空气调和机的一个例子中的冷冻循环。
图1的冷冻循环900能够通过四通阀902的切换动作进行制热运转或者制冷运转。
在制热运转时,如实线箭头所示,制冷剂通过压缩机904被加压而送出,经由四通阀902、室内热交换器906、膨胀阀908、室外热交换器910以及四通阀902返回到压缩机904。
在制冷运转时,如虚线箭头所示,制冷剂通过压缩机904被加压而送出,经由四通阀902、室外热交换器910、膨胀阀908、室内热交换器906以及四通阀902返回到压缩机904。
在制热运转时,室内热交换器906作为冷凝器发挥作用而进行热释放,室外热交换器910作为蒸发器发挥作用而进行热吸收。在制冷运转时,室外热交换器910作为冷凝器发挥作用而进行热释放,室内热交换器906作为蒸发器发挥作用而进行热吸收。膨胀阀908使制冷剂减压而膨胀。
压缩机904通过可变速控制的电动机7被驱动。
实施方式1.
图2是将本发明的实施方式1的电动机驱动装置2与电动机7一起示出的概略布线图。
图示的电动机驱动装置2是用于驱动电动机7的装置,具有交流电源输入端子2a、2b、电抗器8、整流电路10、电容器20、逆变器30、接线切换装置60、控制电源生成电路80、母线电流检测单元85、电气量检测部90以及控制装置100。
控制装置100例如可以包括具备CPU(Central Processing Unit,中央处理单元)的微电脑(微型计算机)或者DSP(Digital Signal Processor,数字信号处理器)等,也可以包括专用的硬件。以下,说明为包括微电脑的情况。
交流电源输入端子2a、2b与外部的交流电源4连接,从交流电源4对交流电源输入端子2a、2b施加交流电压。被施加的电压例如振幅(实效值)是100V、200V等,频率是50Hz、60Hz等。
整流电路10从交流电源4经由输入端子2a、2b以及电抗器8接受交流电力而进行整流。整流电路10是通过对二极管等整流元件11~14进行桥连接而形成的全波整流电路。
电容器20使由整流电路10整流后的直流电压平滑化而输出直流电压V20。
逆变器30如图3所示具有逆变器主电路310和驱动电路350,逆变器主电路310的输入端子与电容器20的电极连接。
将把整流电路10的输出、电容器20的电极、逆变器主电路310的输入端子连结起来的线称为直流母线。
逆变器30被控制装置100控制,逆变器主电路310的6个支路的开关元件311~316进行导通、截止动作,生成频率可变且电压可变的3相交流电流,供给给电动机7。对开关元件311~316并联连接有回流用的整流元件321~326。
电动机7是3相永久磁铁同步电动机,定子绕组的端部被引出到电动机7的外部,能够向星形接线(Y接线)以及三角形接线(Δ接线)中的任意接线进行切换。通过接线切换装置60进行该切换。
图4更详细地示出电动机7的定子绕组以及接线切换装置60。
如图所示,电动机7的由U相、V相、W相构成的3个相的绕组71、72、73的第1端部71a、72a、73a分别与外部端子71c、72c、73c连接,U相、V相、W相的绕组71、72、73的第2端部71b、72b、73b分别与外部端子71d、72d、73d连接,能够与电动机7的外部连接。对外部端子71c、72c、73c连接有逆变器30的U相、V相、W相的输出线331、332、333。
接线切换装置60在图示的例子中包括切换器61、62、63。作为切换器61、62、63,使用接点以电磁方式开闭的电磁接触器。这样的电磁接触器包括被称为继电器、触头等的电磁接触器,例如构成为如图5所示那样,在励磁线圈611、621、631中流过电流时和未流过电流时取不同的连接状态。
励磁线圈611、621、631以经由半导体开关604接受后述切换电源电压V60的方式连接。通过从控制装置100输出的切换控制信号Sc,控制半导体开关604的开闭。
切换器61的共同接点61c经由引线61e与端子71d连接,常闭(normally-closed)接点61b与中性点节点64连接,常开(normally-open)接点61a与逆变器30的V相的输出线332连接。
切换器62的共同接点62c经由引线62e与端子72d连接,常闭接点62b与中性点节点64连接,常开接点62a与逆变器30的W相的输出线333连接。
切换器63的共同接点63c经由引线63e与端子73d连接,常闭接点63b与中性点节点64连接,常开接点63a与逆变器30的U相的输出线331连接。
在励磁线圈611、621、631中未流过电流时,切换器61、62、63如图示那样,处于切换到常闭接点侧的状态、即共同接点61c、62c、63c与常闭接点61b、62b、63b连接的状态。在该状态下,电动机7处于Y接线状态。
在励磁线圈611、621、631中流过电流时,切换器61、62、63与图示相反地,处于切换到常开接点侧的状态、即共同接点61c、62c、63c与常开接点61a、62a、63a连接的状态。在该状态下,电动机7处于Δ接线状态。
在此,以下使用图6的(a)以及(b)说明作为电动机7使用能够向Y接线以及Δ接线中的任意接线切换的电动机的优点。
图6的(a)概念性地示出设为Y接线时的定子绕组的连接状态,图6的(b)概念性地示出设为Δ接线时的定子绕组处连接状态。
如果将Y接线时的线间电压设为VY且流入的电流设为IY、将Δ接线时的线间电压设为VΔ且流入的电流设为IΔ、并且设为施加到各相的绕组的电压相互相等,则有
VΔ=VY/√3 (1)的关系,此时,有
IΔ=√3×IY (2)的关系。
在Y接线时的电压VY以及电流IY和Δ接线时的电压VΔ以及电流IΔ有式(1)以及式(2)的关系时,在Y接线时和Δ接线时供给给电动机的电力相互相等。
即,在供给给电动机的电力相互相等时,Δ接线时的电流更大、驱动所需的电压更低。
利用以上的性质,考虑根据负载条件等选择接线状态。例如,考虑在低负载时以Y接线进行低速运转,在高负载时以Δ接线进行高速运转。由此,能够提高低负载时的效率,还能够实现高负载时的高输出化。
以下,关于这点,更详细地叙述驱动空调机的压缩机的电动机的情况。
作为空调机的压缩机驱动用的电动机7,为了应对节能化的要求,广泛使用对转子使用永久磁铁的同步电动机。另外,在近年来的空气调和机中,在室温和设定温度的差大时,通过使电动机7高速地旋转而快速地接近设定温度,在室温接近设定温度时,使电动机7低速地旋转而维持室温,在这样的情况下,低速地运转的时间占据的比例大。
在使用同步电动机的情况下,在转速升高时,反电动势增加,驱动所需的电压值增加。关于该反电动势,如上所述,Y接线时的该反电动势比Δ接线时的该反电动势高。
为了抑制高速下的反电动势,考虑减小永久磁铁的磁力、减少定子绕组的匝数。但是,如此一来,用于得到同一输出转矩的电流增加,所以在电动机7以及逆变器30中流过的电流增加,效率降低。
因此,考虑根据转速切换接线状态。例如,在需要高速下的运转的情况下,设为Δ接线状态。由此,能够使驱动所需的电压(与Y接线相比)为1/√3。因此,既无需减少绕组的匝数,也无需使用弱磁通控制。
另一方面,在低速旋转下,设为Y接线状态,从而与Δ接线相比能够使电流值为1/√3。进而,能够将绕组设计成以Y接线状态适应低速下的驱动,与在速度范围的整个范围使用Y接线的情况相比,能够减少电流值。其结果是能够减少逆变器30的损耗,能够提高效率。
如以上说明,根据负载条件切换接线状态是有意义的,设置接线切换装置是为了能够进行这样的切换。
控制电源生成电路80接受电容器20的两个电极间的电压即母线电压V20而降压,生成控制电源以及切换电源,将控制电源供给给控制装置100,并且将切换电源供给给接线切换装置60。例如,控制电源电压是5V,切换电源电压是12V。切换电源是用于使用于切换电动机7的接线状态的接线切换装置60动作的电源,在图示的例子中,供给切换器61、62、63的上述励磁线圈611、621、631中流过的电流。
母线电流检测单元85检测母线电流即逆变器30的输入电流Idc。母线电流检测单元85包括被插入到直流母线的分流电阻,将表示检测结果的模拟信号供给给控制装置100。该信号(检测信号)在控制装置100中通过未图示的A/D变换部被变换为数字信号以用于控制装置100的内部的处理。
电气量检测部90在电动机驱动装置2内的1个以上的部分中检测1个以上的电气量Qe。此处所称的电气量是电压、电流或者电力。
控制装置100如上所述控制利用接线切换装置60进行的接线状态的切换,并且控制逆变器30的动作。为了逆变器30的控制,控制装置100生成PWM信号Sm1~Sm6,供给给逆变器30。
逆变器30如上所述除了具备逆变器主电路310以外,还具备驱动电路350,该驱动电路350根据PWM信号生成驱动信号Sr1~Sr6,通过驱动信号Sr1~Sr6控制开关元件311~316的导通、截止,由此,频率可变且电压可变的3相交流电压被施加到电动机7。
PWM信号Sm1~Sm6是逻辑电路的信号电平的大小(0~5V)的信号,与此相对,驱动信号Sr1~Sr6是具有为了控制开关元件311~316所需的电压电平例如+15V~-15V的大小的信号。另外,PWM信号Sm1~Sm6是以控制装置100的接地电位为基准电位的信号,与此相对,驱动信号Sr1~Sr6是以分别对应的开关元件的负侧的端子(发射极端子)的电位为基准电位的信号。
另外,控制装置100还在根据由电气量检测部90检测电气量Qe的结果而检测出或者预测出由交流电源4断电等所致的切换电源电压V60降低时,进行电动机7的制动处理(减速/停止处理)。
控制装置100如图7所示具有运转控制部102以及逆变器控制部110。
运转控制部102接受由未图示的温度传感器检测出的表示室温(空调对象空间的温度)的信息,接受来自未图示的操作部例如遥控器的指示,控制空气调和机的各部分的动作。来自操作部的指示包括表示设定温度的信息、运转模式的选择、运转开始以及结束的指示等。
运转控制部102例如进行将电动机7的定子绕组设为Y接线还是设为Δ接线的确定以及目标转速的确定,根据确定而输出切换控制信号Sc以及频率指令值ω*。例如,在室温和设定温度的差大时确定设为Δ接线,将目标转速设定为相对高的值,输出在启动后逐渐上升至与上述目标转速对应的频率的频率指令值ω*。在达到与目标转速对应的频率时,维持该状态直至室温接近设定温度,在室温接近设定温度时使电动机临时停止,切换为Y接线,输出逐渐上升至与相对低的目标转速对应的频率的频率指令值ω*。在达到与目标转速对应的频率时,之后进行用于维持室温接近设定温度的状态的控制。该控制包括频率的调整、电动机的停止、重启等。
另外,运转控制部102还接受由电气量检测部90检测电气量Qe的结果,在检测出或者预测出由交流电源4断电等所致的切换电源电压V60降低时,进行电动机7的制动处理。
在该制动处理中,在电动机7的转速相对低时,立即停止,在电动机7的转速相对高时,使转速逐渐降低之后停止。
通过使频率指令值ω*逐渐降低,进行使电动机7的转速逐渐降低的处理。通过对逆变器控制部110提供使逆变器30停止的信号(停止信号)St,进行使电动机7停止的处理。
逆变器控制部110具有电流恢复部111、3相2相变换部112、频率补偿部113、主频率运算部114、电压指令值运算部115、2相3相变换部116、PWM生成部117、电角相位运算部118以及励磁电流指令控制部119。
电流恢复部111根据由母线电流检测单元85检测出的电流值Idc,使在电动机7中流过的相电流iu、iv、iw恢复。电流恢复部111在根据来自PWM生成部117的PWM信号确定的定时,对由母线电流检测单元85检测出的直流电流Idc进行采样,从而使相电流恢复。
3相2相变换部112使用由后述电角相位运算部118生成的电角相位θ,将由电流恢复部111恢复后的电流值iu、iv、iw变换为用励磁电流分量(γ轴电流)iγ以及转矩电流分量(δ轴电流)iδ表示的γ-δ轴的电流值。
频率补偿部113根据由3相2相变换部112得到的δ轴电流,运算旋转频率的补偿量ωd
主频率运算部114使用由频率补偿部112得到的频率补偿量ωd,补偿从运转控制部102提供的频率指令值ω*,求出补偿后的频率指令值ω1。补偿后的频率指令值ω1成为主频率指令值。通过从频率指令值ω*减去补偿量ωd,进行基于补偿量ωd的补偿。
电角相位运算部118对补偿后的频率指令值ω1进行积分,求出电角相位θ。
励磁电流指令控制部119根据转矩电流分量(δ轴电流)iδ,求出为了驱动电动机7效率最好的最佳的励磁电流指令值iγ *
此外,在图7中根据转矩电流分量iδ求出励磁电流指令值iγ *,但根据励磁电流分量iγ、频率指令值ω*或者补偿后的频率指令值ω1求出励磁电流指令值iγ *也能够得到同样的效果。
励磁电流指令控制部119根据转矩电流分量iδ(或者励磁电流分量iγ、频率指令值ω*、或者补偿后的频率指令值ω1),输出如成为电流相位角βm(未图示)那样的励磁电流指令值iγ *,该电流相位角βm用于使输出转矩为预定值以上(或者最大)、即使电流值为预定值以下(或者最小)。
电压指令值运算部115根据从3相2相变换部112得到的γ轴电流iγ及δ轴电流iδ、从主频率运算部114得到的频率指令值ω1以及从励磁电流指令控制部119得到的励磁电流指令值iγ *,运算用于驱动电动机7的电压指令值Vγ *、Vδ *
2相3相变换部116使用由电角相位运算部118得到的电角相位θ,将由电压指令值运算部115得到的γ轴电压指令值Vγ *以及δ轴电压指令值Vδ *(2相坐标系的电压指令值)变换为3相坐标系的输出电压指令值(3相电压指令值)Vu*、Vv*、Vw*而输出。
PWM生成部117根据从2相3相变换部116得到的3相电压指令值Vu*、Vv*、Vw*,生成PWM信号Sm1~Sm6而输出。
上述停止信号St例如被提供给PWM生成部117,PWM生成部117在接受到停止信号St时,立即停止PWM信号Sm1~Sm6的输出。
驱动电路350根据PWM信号Sm1~Sm6,生成驱动信号Sr1~Sr6。
此外,在上述例子中,设为从逆变器30的输入侧的直流电流Idc恢复相电流iu、iv、iw的结构,但也可以设为如对逆变器30的输出线331、332、333设置电流检测器并且用该检测器检测相电流那样的结构,在这样的情况下,只要使用由上述检测器检测出的电流来代替由电流恢复部111恢复的电流即可。
以下,说明交流电源4由于停电等而断电的情况下的电动机驱动装置2的动作。
首先,使用图8以及图9,说明现有技术的问题即不具备本发明的特征的电动机驱动装置中的动作。
在交流电源4由于停电等而断电时,向电容器20的电源供给停止。在该状态下,逆变器30一边消耗积蓄于电容器20的电荷一边继续运转。
由于电荷的消耗,母线电压V20渐渐变低。在母线电压V20成为某个值以下时,根据从电容器20供给的电力进行动作的控制电源生成电路80变得无法生成电源。例如,在母线电压V20低于某个值V20a时,切换电源电压V60也开始降低。
在切换电源电压V60低于接线切换装置60的动作所需的最低的电压(最低电压)V60b时,接线切换装置60成为非动作状态(OFF状态),接线切换装置60的切换器61~63连接到b接点侧。在此前是b接点侧的情况下不发生切换,但在此前是a接点侧的情况下发生切换。
在此,“动作所需的最低的电压”表示在被指示将切换器61~63连接于a接点侧时能够维持连接于a接点侧的的最低的电压。
在发生切换时从逆变器30向电动机7的供电继续并且电动机7的转速Nm尚未成为零时,在切换器61~63的接点之间发生电弧放电,由此有可能发生接点熔敷等故障。
为了避免这样的故障,考虑在发生接线切换装置60的切换之前即在切换电源电压V60降低至最低电压V60b之前使逆变器30停止。然而,即使使逆变器30停止,由于电动机7的惯性,转速Nm如图9所示仅逐渐降低,电动机7也会继续发生与转速Nm对应的反电动势。在该反电动势高于母线电压V20(即电容器20的两个电极间的电压)时,作为再生电压发挥作用,从电动机7经由接线切换装置60以及整流元件321~326朝向电容器20的充电电流流过。在图9中,示出充电电流所引起的母线电压V20的上升。
在充电电流流过的状态下切换电源电压V60降低至最低电压V60b而接线切换装置60无法维持动作状态而发生切换时,仍有可能发生电弧放电,在该情况下也有可能发生接点熔敷等故障。
因此,在本发明中,在电动机高速地旋转时,通过使逆变器的输出电压的频率逐渐降低而使电动机7的转速逐渐降低,在反电动势充分变低之后发生接线切换装置60的切换,以此方式进行控制。由此,能够防止接点熔敷等故障,能够得到可靠性高的电动机驱动装置。
能够用各种方法检测电源的断电。在本实施方式中,通过监视切换电源来检测电源的断电。
在实施方式1中,如图10所示,电气量检测部90包括切换电源电压检测单元92,用切换电源电压检测单元92检测由控制电源生成电路80生成的切换电源电压V60,从而进行切换电源的监视。
切换电源电压检测单元92检测切换电源电压V60,将表示检测结果的模拟信号供给给控制装置100。切换电源电压检测单元92例如包括用串联连接的电阻对切换电源电压V60进行分压的电路,变换为适于控制装置100内的利用微电脑的处理的电压例如5V以下的电压而输出。该信号(检测信号)在控制装置100中通过未图示的A/D变换部被变换为数字信号以用于控制装置100的内部的处理。
运转控制部102(图7)判定由切换电源电压检测单元92检测出的切换电源电压V60是否为预先确定的判定阈值V60t以上,在判定为切换电源电压V60变得低于判定阈值V60t时,根据该判定结果进行电动机7的制动处理。
在电动机7的制动处理中,在电动机7的转速Nm是预定值Ns以下的情况下,立即使逆变器30停止,在电动机7的转速Nm高于预定值Ns的情况下,使转速Nm逐渐降低,在降低至预定值Ns时,使逆变器30停止。
以下,参照图11,说明实施方式1中的动作。
即,在实施方式1中,运转控制部102接受由切换电源电压检测单元92检测出的切换电源电压V60,反复进行切换电源电压V60是否为判定阈值V60t以上的判定,在判定为变得低于判定阈值V60t时,根据该判定结果进行电动机7的制动处理。
如以下那样进行运转控制部102中的电动机7的制动处理。
在电动机7的制动处理的开始的时间点电动机7的转速Nm是预定值Ns以下的情况)下,立即使逆变器30停止。通过频率指令值ω*推测电动机7的转速Nm。通过将停止信号St供给给逆变器控制部110,进行使逆变器30停止的处理。
在电动机7的制动处理的开始的时间点电动机7的转速Nm高于预定值Ns的情况下,使频率指令值ω*随着时间经过变化为渐渐小的值。由此,使频率指令值ω1渐渐变小,如图11所示,使电动机7的转速Nm渐渐降低。在转速Nm降低至预定值Ns时,使逆变器停止。
在电动机7的减速过程中电动机7中也会产生反电动势,该反电动势如果高于母线电压V20,则作为再生电压发挥作用,在电容器20中流过充电电流,母线电压V20的降低被抑制。
以能够在切换电源电压V60成为最低电压V60b之前使电动机7停止的方式,进行使频率指令值ω*降低的处理。
在使频率指令值ω*降低时,从逆变器30向电动机7施加的电压也渐渐被减小,电流不会流向电动机7以及接线切换装置60。
另外,通过使电动机7减速,反电动势高于母线电压V20的状态不会长时间持续而不久就结束。
如果电动机7的反电动势变得低于母线电压V20,则也不会从电动机7向电容器20流过充电电流。
如果成为该状态,则即使切换电源电压V60变得低于最低电压V60b而发生切换器的接点的切换,也不会发生电弧放电。
通过在使频率指令值ω*降低而使电动机7减速时产生的充电电流,能够抑制母线电压V20的降低,能够抑制由母线电压V20生成的切换电源电压V60的降低,能够在电动机7的转速充分变低以前将接线切换装置60维持为可动作的状态。
此外,判定阈值V60t最好设定为通常状态下的切换电源电压V60的偏差的范围的最小值以下且大于接线切换装置60为了其动作所需的最低的电压V60b的偏差的范围的最大值的值。
在实施方式1中,由于检测切换电源电压V60,所以不论用于切换电源的生成的电力是从何处供给的电力(即使是从电容器20以外供给的情况)、进而即使在由于交流电源4的断电以外的原因而切换电源电压V60降低的情况下,也能够可靠地保护接线切换装置60。
此外,在实施方式1中,根据切换电源电压进行电动机7的制动处理,但也可以根据切换电源电流或者切换电源电力进行电动机7的制动处理。总之,只要设为根据作为切换电源的监视的结果得到的电气量进行电动机7的制动处理即可。
实施方式2.
以下,参照图12以及图13,说明本发明的实施方式2。
实施方式2的电动机驱动装置2与关于实施方式1参照图2~图7说明的内容大致相同。以下,以不同点为中心进行说明。
图12示出在实施方式2中使用的电动机驱动装置2中的电气量检测部90和与该电气量检测部90连接的部分。如图12所示,实施方式2的电气量检测部90包括母线电压检测单元94。
在实施方式2中,检测母线电压V20,根据检测结果进行电动机7的制动处理。
控制电源生成电路80从母线接受电力的供给而生成切换电源,因此,如果母线电压V20变低,则切换电源电压也变低。因此,如果母线电压V20变得低于判定阈值V20t,则预测出切换电源电压V60的降低。即,预测为切换电源电压V60不久将会变得低于最低电压V60b。
母线电压检测单元94将电容器20的两个电极间的电压V20检测为母线电压。母线电压检测单元94例如包括用串联连接的电阻对母线电压V20进行分压的电路,变换为适于控制装置100内的利用微电脑的处理的电压例如5V以下的电压而输出。该信号(检测信号)在控制装置100中通过未图示的A/D变换部被变换为数字信号以用于控制装置100的内部的处理。
运转控制部102(图7)接受母线电压V20作为来自电气量检测部90的电气量Qe,判定母线电压V20是否为判定阈值V20t以上。
以下,参照图13,说明实施方式2的动作。
在交流电源4由于停电等而断电时,母线电压V20渐渐降低,但通过积蓄于电容器20的电荷,逆变器30继续运转。
在母线电压V20低于某个值V20a时,切换电源电压V60也开始降低。
运转控制部102反复进行由母线电压检测单元84检测出的母线电压V20是否为预先确定的判定阈值V20t以上的判定,如果判定为母线电压V20变得低于判定阈值V20t,则根据该判定结果预测出切换电源电压V60的降低,根据该预测进行电动机7的制动处理。
电动机7的制动处理与实施方式1相同。
判定阈值V20t最好设定为通常状态下的母线电压V20的偏差的范围的最小值以下且高于与接线切换装置60为了其动作所需的最低的电压(最低电压)V60b的偏差的范围的最大值对应的母线电压V20的值。
母线电压V20的偏差需要考虑交流电源4的电压变动所引起的偏差、通常运转下的直至输入端子2a、2b的布线中的电压降的偏差等来推测。
以上,设为检测母线电压并根据检测结果预测切换电源电压V60的降低,但也可以设为检测母线电流或者母线电力并根据检测结果预测切换电源电压V60的降低。
实施方式3.
以下,参照图14、图15以及图16,说明本发明的实施方式3。
实施方式3的电动机驱动装置2与关于实施方式1参照图2~图7说明的内容大致相同。以下,以不同点为中心进行说明。
图14示出在实施方式3中使用的电动机驱动装置2中的电气量检测部90和与该电气量检测部90连接的部分。如图14所示,实施方式3的电气量检测部90包括交流电压检测单元96。
在实施方式3中,监视被施加到输入端子2a、2b的交流电压(输入交流电压)V10,根据监视结果进行电动机7的制动处理。
控制电源生成电路80根据通过用整流电路10对经由输入端子2a、2b供给的交流电力进行整流而得到的直流电力,生成切换电源,因此,如果交流电源4断电,则切换电源电压V60变低。因此,在检测到交流电源4的断电时,预测出切换电源电压V60的降低。即,预测为切换电源电压V60不久将会变得低于最低电压V60b。
交流电压检测单元96将被施加到输入端子2a、2b的交流电压V10检测为输入交流电压。交流电压检测单元96例如包括用串联连接的电阻对输入交流电压V10进行分压的电路,变换为适于控制装置100内的利用微电脑的处理的电压例如5V以下的电压而输出。该信号(检测信号)在控制装置100中通过未图示的A/D变换部被变换为数字信号以用于控制装置100的内部中的处理。
运转控制部102(图7)接受来自交流电压检测单元96的输入交流电压V10作为来自电气量检测部90的电气量Qe,判定交流电源4是否断电。例如,根据输入交流电压V10是否包括过零点来进行该判定。
以下,在实施方式3中,参照图15,说明根据过零点的消失而检测电源的断电的情况下的动作。
在交流电源4由于停电等而断电时,母线电压V20渐渐降低,但通过积蓄于电容器20的电荷,逆变器30继续运转。
在母线电压V20低于某个值V20a时,切换电源电压V60也开始降低。
运转控制部102反复进行由交流电压检测单元96检测出的输入交流电压是否包括过零点的判定,在判定为未发生过零点时,根据该判定结果判定为交流电源4断电,并且预测出切换电源电压V60的降低,根据该预测进行电动机7的制动处理。
电动机7的制动处理与实施方式1相同。
在过零点的消失的检测时,需要注意以下的事项。即,有时即使交流电源4断电,由于噪声等的影响,输入交流电压的瞬时值也会变动,从正向负或者从负向正切换等。需要避免将这样的变动判定为过零。因此,也可以将以电压值0为中心±几伏特左右的变动不认定为从正向负或者从负向正的切换(即,设置±几伏特左右的无感区)。
例如,也可以在输入交流电压V10的瞬时值从比某个正的值(正的判定阈值)低的状态转移到比该判定阈值高的状态时,认定为有从负向正的变化,在输入交流电压V10的瞬时值从比某个负的值(负的判定阈值)高的状态转移到比该判定阈值低的状态时,认定为有从正向负的变化,根据这些认定来判定有无过零点。
另外,在知道交流电源4的电压的频率的情况下,也可以在检测到一次过零之后,在经过与上述频率对应的时间以前,不认定为下个过零。
由此,能够提高抗噪性。
以上,说明了通过检测输入交流电压V10的过零点的消失而检测交流电源4的断电来预测切换电源电压V60的降低的例子,但还能够通过检测输入交流电压V10的振幅的降低而进行交流电源4的断电的检测以及切换电源电压V60的降低的预测。
在该情况下,例如如图16所示,反复进行输入交流电压V10的振幅是否为预先确定的判定阈值V10t以上的判定,如果上述振幅变得低于判定阈值V10t,则判定为电源4断电,预测出切换电源电压V60的降低。
上述判定阈值(绝对值)V10t最好设定为通常状态下的交流电源4的电压变动所引起的偏差的范围的最小值以下且与接线切换装置60为了其动作所需的最低的电压(最低电压)V60b的偏差的范围的最大值对应的输入交流电压V10的值。
输入交流电压V10的偏差需要考虑交流电源4的电压变动所引起的偏差、通常运转中的直至输入端子2a、2b的布线中的电压降的偏差等来推测。
以上,设为检测输入交流电压并根据检测结果预测切换电源电压V60的降低,但也可以设为检测输入交流电流或者输入交流电力并根据检测结果预测切换电源电压V60的降低。
如以上那样,在实施方式1中,检测切换电源电压或者电流,在实施方式2中,检测母线电压,在实施方式3中,检测输入交流电压或者输入交流电流,根据检测的结果进行切换电源电压的降低的检测或者预测,根据该降低的检测或者预测进行电动机7的制动处理。然而,也可以设为检测上述切换电源电压、切换电源电流、母线电压、输入交流电压以及输入交流电流中的2项以上,根据检测的结果进行电动机7的制动处理。例如,也可以设为在根据这些检测的结果中的任意1项以上的结果而检测出或者预测出切换电源电压V60的降低时,进行电动机7的制动处理。
总之,只要构成为电气量检测部90检测切换电源的电气量或者与该电气量连动的至少一个电气量,运转控制部102根据电气量检测部90的检测的结果检测或者预测切换电源的电压V60的降低,进而,根据该检测或者预测的结果进行电动机7的制动处理即可。
在此,“连动”不仅包括某个电气量的变化成为其他电气量的变化的原因的情况,还包括某个电气量的变化和其他电气量的变化由于其他共同的原因而都变化的情况。
在图2中,作为在逆变器中流过的电流,用母线电流检测单元85检测在直流母线中流过的电流,但也可以在其他部位检测逆变器电流。即,也可以并非检测图2所示的位置,而是检测从逆变器30流到电动机7的交流电流。总之,只要设置成能够得到控制装置100对逆变器的控制所需的电流信息即可。
另外,关于母线电流检测单元85,为了防止外来噪声等所致的误检测,也可以使用LPF(Low Pass Filter,低通滤波器)等,去除噪声的影响。但是,在该情况下,最好设定为不影响控制装置100对电动机7的控制的范围的时间常数。例如,通过设定为控制装置100进行电动机7的控制的周期(控制周期)以下的时间常数,不对控制造成影响而能够去掉噪声的影响。
此外,不论在实施方式1~3中的哪个实施方式中,都设为在切换电源电压V60降低而接线切换装置60中发生切换之前使电动机7减速,在转速Nm降低至预定转速Ns以下的值之后使逆变器30停止。在此,根据如以下那样的考虑,确定预定转速Ns。即,电动机7根据接线切换装置60的接线状态而如图17所示那样反电动势有差异。在图17中,EmY表示Y接线的情况下的反电动势,E表示Δ接线的情况下的反电动势。
即,如果是相同的转速,则Y接线时的反电动势更高。因此,在Y接线的情况下,需要在使电动机7减速至更低的转速之后使逆变器30停止。其原因为,在反电动势高于母线电压V20且充电电流流向电容器20时,如果用接线切换装置60切换,则发生接点熔敷等问题。
相反地,在Δ接线的情况下,即使以比Y接线的情况高的转速使逆变器30停止,充电电流也不会流向电容器20。
因此,也可以将Y接线和Δ接线中使逆变器30停止的转速(上述“预定转速”)Ns设定为相互不同的值。
例如,在假设为母线电压V20在Y接线的情况下和Δ接线的情况下都从电源断电起随着时间经过而同样地降低的情况下,能够将在Δ接线的情况下使逆变器30停止的转速N设定为比在Y接线的情况下使逆变器30停止的转速NsY高的值。由此,在Δ接线时能够迅速地使逆变器30停止,还能够防止反电动势所引起的向电容器20的充电,因此,能够实现可靠性更高的电动机驱动装置。
但是,即使在由于是Δ接线而反电动势低的状态下,切换电源降低而接线切换装置60也会切换到b接点侧,因此,在从Δ接线切换到Y接线时如图17所示电压值增加(成为√3倍),所以由于切换到Y接线而反电动势急剧增加。因此,在切换的瞬间,流过大的充电电流,有可能发生电弧放电。
为了避免发生这样的情形,根据接线切换装置的保护的观点,最好将接线切换装置设为如在由于切换电源电压的降低而切换时在切换后成为Δ接线那样的结构(在接线切换装置60为ON时为Y接线、在为OFF时为Δ接线)。其原因为,由于切换电源电压的降低而从Y接线切换到Δ接线,切换后的反电动势成为更低的值。
作为整流电路10的整流元件11~14,一般使用二极管等,但例如也可以构成为使用MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect-transistor,金属氧化物半导体场效应晶体管)等,通过与从交流电源4供给的电压(输入交流电压)的极性匹配地设为导通状态来进行整流。
作为逆变器主电路310的开关元件311~316,设想IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor,绝缘栅双极晶体管)或者MOSFET,但本发明不限于此,只要是能够进行开关的元件,则可以是任意的元件。此外,在MOSFET的情况下,由于在构造上具有寄生二极管,所以即使不并联连接回流用的整流元件(321~326)也能够得到同样的效果。
关于构成整流元件11~14以及开关元件311~316的材料,除了硅(Si)以外,还使用作为宽能带隙半导体的碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、金刚石等的材料来构成,从而能够进一步减少损耗。
实施方式4.
在图2的结构中,作为接线切换装置60的切换器,使用切换开关。也可以替代地用常闭开关和常开开关的组合构成各切换器。图18示出该情况下的接线切换装置的结构例。
在图18的结构中,使用常闭开关615和常开开关616的组合来代替切换器61的切换开关,使用常闭开关625和常开开关626的组合来代替切换器62的切换开关,使用常闭开关635和常开开关636的组合来代替切换器63的切换开关。
如图示那样,在常闭开关615、625、635闭合(导通)且常开开关616、626、636断开(截止)的状态下,电动机被Y接线,与图示相反地,在常闭开关615、625、635断开且常开开关616、626、636闭合的状态下,电动机被Δ接线。
在如图18所示用常闭开关和常开开关的组合构成各切换器的情况下,作为各开关也能够使用电磁接触器。电磁接触器由于导通时的导通损耗小而优选。
在如图18所示用常闭开关和常开开关的组合构成各切换器的情况下,作为各开关也可以使用包括由碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化镓(Ga2O3)、金刚石等构成的宽能带隙半导体(WBG半导体)的半导体开关。它们导通电阻小、低损耗且元件发热也少。另外,它们能够迅速地进行切换动作。
在这样使用半导体开关的情况下,在切换电源电压降低时,由于如以下那样的原因,也有可能发生切换。
即,半导体开关根据被输入到控制端子的信号而被控制导通、截止,具有半导体开关的接线切换装置的切换电源是指被输入到半导体开关的控制端子的信号的电源。
在被输入到半导体开关的控制端子的信号的电源的电压降低而变得低于为了保持动作状态所需的最低电压时,半导体开关成为非动作状态(OFF状态),有可能发生切换。即,有可能在控制端子是高电平时为ON状态的半导体开关(常关型(normally-off type)的开关)成为OFF,相反地在控制端子是高电平时为OFF状态的半导体开关(常开型(normally-on type)的开关)成为ON。在发生这样的切换时,有可能由于浪涌电压而元件被破坏。
因此,最好与使用电磁接触器的情况同样地,以在切换电源电压V60变得低于接线切换装置60的动作所需的最低的电压(为了将半导体开关保持为动作状态而所需的最低电压)之前使电动机7的转速充分变低的方式进行逆变器的控制。
实施方式5.
在实施方式1~4中,将本发明应用于能够将定子绕组切换到Y接线或者Δ接线的电动机。
本发明还能够应用于用其他方法进行接线的切换的情况。
例如,还能够应用于作为各相的绕组使用包括2个以上的绕组部分的结构并且能够切换到并联接线以及串联接线中的任意接线的电动机。
在该情况下,能够将构成各相的绕组的2个以上的绕组部分各自的两端部连接到电动机7的外部,用接线切换装置60切换接线状态。
在图19中,示出如下结构:在Y接线的电动机中用2个绕组部分构成各相的绕组,使该绕组部分各自的两端部能够连接到电动机7的外部,用接线切换装置60切换接线状态。
具体而言,U相的绕组71包括2个绕组部分711、712,V相的绕组72包括2个绕组部分721、722,W相的绕组73包括2个绕组部分731、732。
绕组部分711、721、731的第1端部经由外部端子71c、72c、73c与逆变器30的输出线331、332、333连接。
绕组部分711、721、731的第2端部经由外部端子71g、72g、73g与切换开关617、627、627的共同接点连接。
绕组部分712、722、732的第1端部经由外部端子71h、72h、73h与切换开关618、628、638的共同接点连接。
绕组部分712、722、732的第2端部经由外部端子71d、72d、73d与中性点节点64连接。
切换开关617、627、637的常闭接点与切换开关618、628、638的常闭接点连接。
切换开关617、627、637的常开接点与中性点节点64连接。
切换开关618、628、638的常开接点与逆变器30的输出线331、332、333连接。
接线切换装置60包括切换开关617、627、637、618、628、638。
在使用这样的接线切换装置的情况下,也能够与实施方式1~3所示的实施方式同样地进行接线切换装置60的保护。
在图19所示的结构的情况下,在切换开关617、627、637、618、628、638如图示那样被切换到常闭接点侧的状态下,电动机成为串联接线状态,在切换开关617、627、637、618、628、638被切换到与图示相反的常开接点侧的状态下,电动机成为并联接线状态。如果转速相同,则串联接线状态下的反电动势为并联接线状态下的反电动势的2倍。
因此,在假设为母线电压V20在串联接线的情况下和并联接线的情况下都从电源断电起随着时间经过而同样地降低的情况下,能够将在串联接线的情况下使逆变器30停止的转速(预定转速)Ns设定为比在并联接线的情况下使逆变器30停止的转速低的值例如1/2。
此外,在实施方式5中,也如在实施方式4中叙述的那样,能够使用常闭开关和常开开关的组合来代替切换开关。
以上,说明了在Y接线的电动机中进行串联接线状态和并联接线状态的切换的情况,但在Δ接线的电动机中进行串联接线状态和并联接线状态的切换的情况下,也能够与上述同样地应用本发明。
以上,说明了将Y接线或者Δ接线的各相的绕组切换为串联或者并联的结构,但即使是在Y接线或者Δ接线的状态下对绕组设置中间抽头并且用开关单元使绕组的一部分短路来变更驱动所需的电压的结构,也能够应用本发明。
简而言之,只要电动机是能够切换绕组的接线状态且通过切换所述接线状态切换反电动势的电动机,就能够应用本发明。
此外,以上的实施方式所示的结构是本发明的结构的一个例子,既能够与其他公知的技术组合,当然也能够在不脱离本发明的要旨的范围将一部分省略等变更而构成。
产业上的可利用性
如以上所述,本发明适用于如切换使用电动机7的绕组那样的电动机驱动装置以及具备该电动机驱动装置的冷冻循环应用设备。
作为冷冻循环应用设备的一个例子举出空气调和机,但本发明不限于此,例如还能够应用于冰箱、冰柜、热泵热水器等。

Claims (12)

1.一种电动机驱动装置,具有:
接线切换装置,对能够切换绕组的接线状态的电动机的所述接线状态进行切换;
控制电源生成电路,对所述接线切换装置供给切换电源;
逆变器,对所述电动机施加频率及电压值可变的交流电压;
控制装置,控制所述逆变器及所述接线切换装置;以及
电气量检测部,检测所述切换电源的电气量或者与该电气量连动的至少1个电气量,
在所述切换电源的电压变得低于所述接线切换装置的动作所需的最低的电压之前,使所述电动机停止。
2.根据权利要求1所述的电动机驱动装置,其中,
由所述电气量检测部检测的所述至少1个电气量包括被输入到所述逆变器的直流电压,在所述直流电压低于阈值的情况下,在变得低于所述接线切换装置的动作所需的最低的电压之前,使所述电动机停止。
3.根据权利要求1或者2所述的电动机驱动装置,其中,
由所述电气量检测部检测的所述至少1个电气量包括被施加到所述电动机驱动装置的交流电压,在所述交流电压变得不包括过零点的情况下,在变得低于所述接线切换装置的动作所需的最低的电压之前,使所述电动机停止。
4.根据权利要求1或者2所述的电动机驱动装置,其中,
由所述电气量检测部检测的所述至少1个电气量包括被施加到所述电动机驱动装置的交流电压,在所述交流电压的振幅变得小于阈值的情况下,在变得低于所述接线切换装置的动作所需的最低的电压之前,使所述电动机停止。
5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的电动机驱动装置,其中,
由所述电气量检测部检测的所述至少1个电气量包括所述切换电源的电压,在所述电压低于阈值的情况下,在变得低于所述接线切换装置的动作所需的最低的电压之前,使所述电动机停止。
6.根据权利要求1至5中的任意一项所述的电动机驱动装置,其中,
所述接线切换装置具有电磁接触器,该电磁接触器具备励磁线圈和由在励磁线圈中流过的电流驱动的接点,
所述切换电源是使电流在所述励磁线圈中流过的电源。
7.根据权利要求1至5中的任意一项所述的电动机驱动装置,其中,
所述接线切换装置具有由被输入到控制端子的信号控制的半导体开关,
所述切换电源是被输入到所述控制端子的信号的电源。
8.根据权利要求7所述的电动机驱动装置,其中,
所述半导体开关具有宽能带隙半导体。
9.根据权利要求1至8中的任意一项所述的电动机驱动装置,其中,
在检测出或者预测出所述切换电源的电压的降低时,如果所述电动机的转速是预定转速以下,则所述控制装置使所述逆变器立即停止,
在检测出或者预测出所述切换电源的电压的降低时,如果所述电动机的转速高于预定转速,则所述控制装置使所述电动机的转速逐渐降低,在所述电动机的转速降低至预定转速以下的值之后,所述控制装置使所述逆变器停止。
10.根据权利要求9所述的电动机驱动装置,其中,
所述预定转速根据接线的状态被设定为不同的值。
11.根据权利要求10所述的电动机驱动装置,其中,
所述电动机能够进行星形接线和三角形接线的切换,
针对三角形接线的所述预定转速高于针对星形接线的所述预定转速。
12.一种冷冻循环应用设备,具备权利要求1至11中的任意一项所述的电动机驱动装置。
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