CN111801887B - 旋转机驱动系统 - Google Patents

旋转机驱动系统 Download PDF

Info

Publication number
CN111801887B
CN111801887B CN201880090682.6A CN201880090682A CN111801887B CN 111801887 B CN111801887 B CN 111801887B CN 201880090682 A CN201880090682 A CN 201880090682A CN 111801887 B CN111801887 B CN 111801887B
Authority
CN
China
Prior art keywords
rotary machine
rotation region
driving system
voltage
switching
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201880090682.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111801887A (zh
Inventor
高桥晓史
岩路善尚
杉本慎治
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Publication of CN111801887A publication Critical patent/CN111801887A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111801887B publication Critical patent/CN111801887B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/14—Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
    • H02P21/141—Flux estimation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/34—Arrangements for starting
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/20—Controlling the acceleration or deceleration
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/16—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the circuit arrangement or by the kind of wiring
    • H02P25/18—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the circuit arrangement or by the kind of wiring with arrangements for switching the windings, e.g. with mechanical switches or relays
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/16—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the circuit arrangement or by the kind of wiring
    • H02P25/18—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the circuit arrangement or by the kind of wiring with arrangements for switching the windings, e.g. with mechanical switches or relays
    • H02P25/188—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the circuit arrangement or by the kind of wiring with arrangements for switching the windings, e.g. with mechanical switches or relays wherein the motor windings are switched from series to parallel or vice versa to control speed or torque
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

具备：旋转机，具有多个绕组；相电流检测电路，对向旋转机供给的相电流进行检测；逆变装置，包含将来自直流电源的直流电力变换为交流电力的逆变电路、和基于相电流检测电路检测的相电流对逆变电路的电力变换进行控制的控制装置，使旋转机进行可变速运转；以及绕组切换装置，通过来自控制装置的指令切换多个绕组的连接，控制装置在变更旋转机的旋转区域的情况下，停止从逆变电路向旋转机的电流供给，并且，将通过旋转机的励磁磁通感应的线间内部电压比直流电源的直流电压小作为条件，将旋转机的旋转区域从低速旋转区域切换为高速旋转区域或者从高速旋转区域切换为低速旋转区域。

Description

旋转机驱动系统
技术领域
本发明涉及对旋转机进行驱动的旋转机驱动系统。
背景技术
通过逆变装置进行可变速运转的旋转机的效率一般用在恒定负载条件下使转速推移而得到的效率曲线来表示，在所要求的旋转范围中的一部分的旋转区域中效率成为峰值。为了实现设备的节能化，重要的是在宽广的旋转范围内使效率曲线提高，并减少旋转机的电力损失。
然而，在现有旋转机中，已知在低速旋转区域中效率变低。作为该重要因素之一，可列举出在现有旋转机中，为了扩大旋转范围而设计成电感变小。在电感小的现有旋转机中，对向旋转机供给的大致正弦波状的电流波形重叠了与逆变装置的开关频率对应的谐波分量。因此，在旋转机的铁芯产生的铁损的谐波分量、因定子绕组的趋肤效应以及邻近效应而产生的交流铜损等变大，结果导致旋转机的效率降低。
与此相对，已知通过在设计阶段对旋转机进行高电感化，能够降低电流值本身，并且能够降低谐波分量。由此，能够实现低速旋转区域中的效率提高，另一方面，除了高速旋转区域的效率降低之外，还存在不能驱动至高速旋转区域而转子失步的课题。
针对这样的课题，存在如专利文献1那样在低速旋转区域和高速旋转区域切换定子绕组的连接的技术。在旋转机的驱动中切换连接的情况下，在切换接点产生电弧而接点寿命降低。在专利文献1中，公开了以避免接点电弧为目的而对转矩指令进行范围限定，并在使逆变主电路成为非通电状态的基础上切换连接的技术。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平5-3694号公报
发明内容
发明要解决的课题
接点电弧的产生原因在于，在接点断开闭动作时接点间的距离微小的瞬间，该部的电场强度增大，从而导致绝缘击穿，流过过大的电流。因此，在即使接点部分为非通电状态在接点间也产生电位差、且在接点闭合的状态下形成能够通电的回路的结构中，无法避免接点电弧的产生，难以实现接点的长寿命化。
该课题在低速旋转区域与高速旋转区域之间过渡的过程中切换绕组连接的情况下也是同样的。即使在非通电状态下将逆变主电路切换绕组连接，在通过旋转机的励磁磁通而感应的线间内部电压Vac与供给至逆变装置的直流电压Vdc之间也必然产生电位差。因此，在接点间也产生电位差，并且在接点闭合的状态下形成能够通电的回路。因此，在每次根据旋转机的加减速进行绕组的连接切换时反复产生接点电弧，接点的寿命变短，从而除了维护成本增大之外，还存在接点熔融等不良情况风险升高，从而作为驱动系统的可靠性降低这样的课题。
另外，作为解决上述的课题的手段，公开了用半导体开关元件构成切换接点的方法。然而，在该方法中，在旋转机的驱动时始终对开关元件通电，因此，产生导通损耗。即，由于在切换接点部产生新的电力损失，因此从提高驱动系统整体的能源效率的观点来看，不能说是上策。
本发明的目的在于，不产生接点电弧而变更旋转机的旋转区域。
用于解决课题的手段
为了实现上述目的，本发明的特征在于，具备：旋转机，具有多个绕组；相电流检测电路，对向所述旋转机供给的相电流进行检测；逆变装置，包含将来自直流电源的直流电力变换为交流电力的逆变电路和基于所述相电流检测电路检测的相电流对所述逆变电路的电力变换进行控制的控制装置，使所述旋转机进行可变速运转；以及绕组切换装置，通过来自所述控制装置的指令切换所述多个绕组的连接，所述控制装置执行：在变更所述旋转机的旋转区域的情况下，停止从所述逆变电路向所述旋转机的电流供给，并且，将通过所述旋转机的励磁磁通感应的线间内部电压比所述直流电源的直流电压小作为条件，将所述旋转机的旋转区域从低速旋转区域切换为高速旋转区域或者从所述高速旋转区域切换为所述低速旋转区域。
发明效果
根据本发明，能够在不产生接点电弧的情况下变更旋转机的旋转区域，其结果是，在通过逆变装置进行可变速运转的旋转机中，能够在从低速旋转区域延续到高速旋转区域的旋转范围内提高效率。
上述以外的课题、结构以及效果通过以下的实施方式的说明而清楚。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施例中的旋转机驱动系统的整体结构的框图。
图2是本发明的第1实施例中的绕组切换装置的说明图。
图3是本发明的第1实施例中的连接切换时的电路图、以及旋转机的内部电压波形图。
图4是表示本发明的第1实施例中的消磁控制的结构的框图。
图5是表示本发明的第1实施例中的消磁控制的效果的说明图。
图6是表示本发明的第1实施例中的连接切换次序的流程图。
图7是表示本发明的第2实施例中的连接切换定时的说明图。
图8是在本发明的第3实施例中的铁道车辆中使用的旋转机驱动系统的结构图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施例进行说明。在以下的说明中，对相同的结构要素标注相同的附图标记。它们的名称以及功能是相同的，避免重复说明。此外，在以下的说明中，以1Y接线和2Y接线的连接切换为对象，但本发明效果并不限定于此，也能够适用于切换与上述不同的并联连接数的Y接线的结构、切换Δ接线的并联连接数的结构、切换Y接线和Δ接线的结构。此外，旋转机可以是感应机、永磁铁同步机，也可以是绕组型同步机，还可以是同步磁阻式旋转机。此外，定子的绕组方式可以是集中绕线、也可以是分布绕线。此外，定子绕组的相数也不限定于实施例的结构。此外，逆变装置的半导体开关元件以IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)为对象，但本发明效果并不限定于此，可以是MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)，也可以是其他的功率用半导体元件。此外，作为旋转机的控制方式，以不使用速度检测器、电压检测器的矢量控制为对象，但也可以适用于使用速度检测器、电压检测器的控制方式。
实施例1
以下，使用图1至图6，对本发明的第1实施例进行说明。图1是表示本发明的第1实施例中的旋转机驱动系统的整体结构的框图。图2是本发明的第1实施例中的绕组切换装置的说明图。图3是本发明的第1实施例中的连接切换时的电路图、以及旋转机的内部电压波形图。图4是表示本发明的第1实施例中的消磁控制的结构的框图。图5是表示本发明的第1实施例中的消磁控制的效果的说明图。图6是表示本发明的第1实施例中的连接切换次序的流程图。
使用图1，对本实施例的旋转机驱动系统的整体结构进行说明。在图1中，逆变装置101包含以下构件：逆变电路104，将直流电源102的输出所产生的直流电力变换为交流电力，并将交流电力输出到旋转机103；相电流检测电路106，检测在与逆变电路104连接的旋转机103中流过的电流；以及控制装置105，根据由相电流检测电路106检测出的相电流信息106A，使用施加电压指令脉冲信号108A，对逆变电路104进行逆变控制(电力变换控制)，使旋转机103进行可变速运转。相电流检测电路106包括霍尔CT(Current Transformer，电流互感器)等，对U相、V相、W相的3相的电流波形Iu、Iv、Iw进行检测。其中，并不一定需要通过相电流检测电路106检测所有3相的电流，也可以是检测任意2相，假设3相电流为平衡状态，通过运算求出另1相的结构。逆变电路104包含逆变主电路141和栅极驱动器142，逆变主电路141包含IGBTQ1～Q6和二极管(续流二极管)D1～D6等多个半导体开关元件，栅极驱动器142基于来自逆变控制部108的施加电压指令脉冲信号108A，产生给逆变主电路141的IGBTQ1～Q6的栅极信号。
旋转机103例如包含具有多个绕组的感应机，为了切换各绕组的接线而引出一部分的绕组的始端和末端，并容纳于绕组切换装置120。绕组切换装置120具有能够切换旋转机103的绕组的接线的电路结构，基于来自绕组切换指令部110的信号切换绕组连接。
控制装置105包含以下构件：逆变控制部108，使用由相电流检测部106检测出的相电流信息106A计算施加电压指令脉冲信息108A；内部电压估计部109，估计由旋转机103的励磁磁通感应的线间内部电压Vac；以及绕组切换指令部110，对绕组切换装置120赋予连接切换的信号。
逆变控制部108具有基于对旋转机103施加的交流电压指令值、检测电流值(相电流检测部106的检测电流值)来估计旋转频率的算法，估计旋转频率。其中，该方法仅在从逆变装置101的逆变电路104向旋转机103供给电流的情况下有效。为了也应对在停止了电流供给的状态下实施绕组的连接切换、之后再次开始电流供给的情况，逆变控制部108还具有用于在通电刚开始后瞬间估计旋转机103的旋转频率的初始速度估计算法。此外，旋转机103的励磁磁通的轴被定义为d轴，并且与d轴正交的操作转矩电流的轴被定义为q轴，并且将电压、电流、磁通这样的交流变化的物理量作为dq轴坐标系的直流量来处置。
内部电压估计部109使用由逆变控制部108基于相电流信息106A运算出的旋转频率、励磁磁通的信息，来估计由旋转机103的励磁磁通感应的线间内部电压Vac，并将估计结果输出到逆变控制部108。
接着，使用图2、图3，对切换装置的结构和通过使用其而实现本发明的目的的原理进行说明，并且对在连接切换时产生接点电弧的课题和解决手段以及其原理进行说明。
图2的(a)是关于旋转机103的定子U相绕组150u，示意性地表示引出两个绕组150u1、150u2的始端(端子)U1、U2和末端(端子)U3、U4并切换串联/并联的结构的图。关于V相、W相，由于相同而省略了记载。将图2的(a)的U相绕组150u的始端U1和始端U2、末端U3和末端U4分别用切换装置120u2并联连接，将V相、W相也同样地并联连接，将3相的中性点151接线成Y字状，将这样的结构称为2Y接线。另一方面，将图2的(a)的U相绕组150u1的末端U3和U相绕组150u2的始端U2用切换装置120u1串联连接，将V相、W相也同样地串联连接，将3相的中性点151接线成Y字状，将这样的结构称为1Y接线。如图2的(a)所示，相对于并联连接(在3相观察时，为2Y接线)，在串联连接(在3相观察时，为1Y接线)中，电感成为4倍。因此，通过采用串联连接，从逆变装置101向旋转机103供给的电流的谐波分量大幅减少。
在现有旋转机中，为了扩大旋转范围而设计电感变小，因此电流的谐波分量变大，如图2的(b)所示，特别是在低速旋转区域中存在效率变低的课题。与此相对，使用切换装置120在低速旋转区域中串联连接(在3相观察时，为1Y接线)，在高速旋转区域中并联连接(在3相观察时，为2Y接线)，由此能够在所要求的较宽的旋转范围(从低速旋转区域延续至高速旋转区域的旋转范围)内进行驱动，并且能够在较宽的旋转范围内提高效率曲线，能够降低旋转机103的电力损失。此外，在低速旋转区域中，由于通过串联连接使旋转机103高电感化，因此能够降低从逆变装置101向旋转机103供给的电流值本身，能够大幅降低逆变装置101的电力损失。其中，在现有技术中，在旋转机的驱动中切换连接的情况下，存在在切换接点产生电弧而接点寿命降低的课题。
图3是示意性地表示在连接切换时停止从逆变主电路141向旋转机103的电流供给而成为非通电状态的情况下也在切换接点产生电弧的原理的图。在图3的(a)中，以旋转机103的定子U相绕组150u、V相绕组150v、W相绕组150w如图2所示从并联连接切换为串联连接的状态为一例。将各相的绕组切换装置120u1、120v1、120w1从接点断开切换为接点闭合，将末端U3和始端U2、末端V3和始端V2、末端W3和始端W2分别连接，从而将各相2个绕组150u1和150u2、150v1和150v2、150w1和150w2分别串联连接。逆变主电路141接受来自直流电源102的电力供给，但在连接切换时，控制装置105将IGBT(Q1～Q6)的栅极控制为断开而停止向旋转机103的电流供给。
因此，在图3的(a)中，忽略IGBT作为电路结构要素，仅将IGBT的续流二极管D1～D6视为电路结构要素。另外，在半导体开关元件使用MOSFET的情况下，MOSFET的寄生二极管(体二极管)、与MOSFET并联连接的肖特基势垒二极管(SBD)与前述的续流二极管同样地被视为电路结构要素。另外，在逆变主电路141与直流电源102之间，一般连接有滤波电抗器、滤波电容器、直流电源102的保护电路等，但在此为了简化说明而仅图示了滤波电容器Cf。
在旋转机103中，在U相、V相、W相分别产生由励磁磁通Φ2d感应的内部电压Viu、Viv、Viw。内部电压Viu、Viv、Viw依赖于旋转频率fr，如图3的(b)所示那样以交流变化。以下，以图3的(b)的t＝t1的瞬间为例，对U相-W相间产生了由线间内部电压Vac的情况进行说明。另外，严格来说，内部电压Vi分别在各相的各绕组150u1和150u2、150v1和150v2、150w1和150w2产生，但为了简化说明，在图3的(a)中作为各相1个交流电压要素汇集。
即，假设图3的(b)的线间内部电压Vac的大小为并联连接时的大小，则串联连接时的线间内部电压成为2Vac。然而，如后所述，在本实施例中，发现通过不依赖于绕组的连接状态而仅着眼于直流电压Vdc(直流电源102的两端电压)与线间内部电压Vac的相对的大小关系来解决接点电弧的课题的手段，将线间内部电压的基准值设为并联连接时还是串联连接时不是重要的。因此，以在连接切换的前后线间内部电压Vac的大小不同为前提，在此基础上，不管在哪种情况下都将线间内部电压表述为Vac。
在图3的(a)中，在线间内部电压Vac比直流电压Vdc大的情况下，在始端U2与末端U3、始端W2与末端W3之间分别产生电位差，并且，切换为接点闭合，由此电流从旋转机103(高电位侧)流向逆变主电路141(低电位侧)。由于该电流的方向与续流二极管D1～D6的正向一致，因此产生浪涌电流Is，由此引起接点电弧。在现有技术中，认为通过使逆变主电路成为非通电状态来切换连接，能够避免接点电弧，但在连接切换的前后任一者线间内部电压Vac比直流电压Vdc大的情况下，产生接点电弧。在这样的状态下，每当根据旋转机的加减速进行绕组的连接切换时，反复产生接点电弧，接点的寿命变短，由此，除了维护成本增大之外，还存在接点熔融等不良情况的风险升高，从而作为旋转机驱动系统的可靠性降低这样的课题。
为了解决上述的课题，在本实施例中，着眼于直流电压Vdc与线间内部电压Vac的相对大小关系。即，认为只要不管在连接切换的前后哪一者线间内部电压Vac都比直流电压Vdc变小，就能够避免接点电弧。关于该原理，再次使用图3的(a)在以下进行说明。在线线间内部电压Vac比直流电压Vdc小的情况下，在始端U2与末端U3、始端W2与末端W3之间分别产生电位差，但在切换为接点闭合时，电流欲从逆变主电路141(高电位侧)向旋转机103(低电位侧)流动。但是，该电流的方向相对于续流二极管D1～D6成为相反方向，因此通电被阻挡，维持非通电状态。因此，不会产生接点电弧。此时，控制装置105在变更旋转机103的旋转区域的情况下，停止从逆变电路104向旋转机103的电流供给，并且，比较由旋转机103的励磁磁通感应的线间内部电压Vac和直流电源102的输出的直流电压Vdc，以线间内部电压Vac小于直流电压Vdc为条件，将旋转机103的旋转区域从低速旋转区域切换到高速旋转区域或者从高速旋转区域切换到低速旋转区域。
将连接切换前后的直流电压Vdc与线间内部电压Vac的大小关系的组合、有无接点电弧的产生、以及各组合中设想的低速旋转区域和高速旋转区域的过渡状态汇总在以下的表1中。
[表1]
关于表1的过渡状态，如图2的(b)所示，在低速旋转区域成为串联连接(1Y接线)时内部电压增加，因此#2是设想低速→高速的过渡时的情况。同样地，#3是设想高速→低速的过渡时的情况。
线间内部电压Vac依赖于旋转机103的旋转频率fr，其大小如下式(1)所示，与励磁磁通Φ2d和旋转频率fr成比例。
[数学式1]
Vac∝Φ2d·fr···················(1)
在本实施例中，构成为在内部电压估计部109估计线间内部电压Vac，在不管在连接切换的前后哪一者线间内部电压Vac都比直流电压Vdc小的旋转频率fr下，绕组切换指令部110发出切换绕组连接的指令。由此，能够始终在表1的#4的状态下实施连接切换，能够避免接点电弧。
另外，连接切换前后的线间内部电压Vac能够在设计阶段掌握。因此，通过预先构成绕组切换指令部110，以使其在不管在连接切换的前后哪一者线间内部电压Vac都比直流电压Vdc变小的旋转频率fr下发出连接切换的指令，由此即使没有内部电压估计部109，也能够避免接点电弧。
以上，对在连接切换时产生接点电弧的课题和解决手段、以及其原理进行了说明。
然而，对于表1的#1～3，在现有技术中无法避免接点电弧。另一方面，在本实施例中，为了解决该课题，发现了使得不管在连接切换的前后哪一者线间内部电压Vac都比直流电压Vdc小的消磁控制的方法。以下，使用图4、图5对其进行说明。
图4是表示消磁控制的处理结构的图。图5是示意性地表示通过消磁控制而逆变控制部108的各操作量和励磁磁通Φ2d如何变化的波形图。作为一个例子，在感应机(旋转机103)的驱动状态下，即使停止从逆变主电路141向旋转机103的电流供给，励磁磁通Φ2d也不会立即成为零，而是以由转子的二次电阻和二次泄漏电感决定的时间常数衰减，因此磁通的消失花费时间。在该状态下，由于连接切换需要庞大的时间，因此无法满足作为旋转机驱动系统的要求规格。
因此，在本实施例中，在逆变主电路141停止向旋转机103的电流供给之前，基于内部电压估计部109的运算结果而判定为在连接切换的前后的任一者线间内部电压Vac比直流电压Vdc大的情况下，进行使励磁磁通减少，来使线间内部电压Vac在连接切换的前后任一者都比直流电压Vdc小的消磁控制。
具体地说，如图4所示，在逆变控制部108中，作为电流指令操作处理108A，存储励磁电流指令值Id＊的过去值，求出励磁电流指令值Id＊相对于时间的变化相应量ΔId。接着，在逆变控制部108中，作为消磁控制励磁电流操作量的计算108C，根据在增益设定部108B中设定的消磁控制增益校正值KM、和励磁电流指令值Id＊相对于时间的变化相应量ΔId，通过以下的(2)式计算消磁控制励磁电流操作量ΔId’。
[数学式2]
ΔId’＝KM·ΔId····················(2)
其中，KM：消磁控制增益校正值
ΔId：励磁电流指令值Id＊相对于时间的变化相应量
在此，消磁控制励磁电流操作量ΔId’是图5的(a)所示的励磁电流指令值Id＊的时间微分值，其波形如图5的(b)所示。在消磁控制中ΔId’
为负，以下的(3)式成立。
[数学式3]
Id*＞Id*+ΔId’··················(3)
接下来，在逆变控制部108中，作为磁通指令运算108D，执行对图5的(c)所示的Id＊+ΔId′的低通滤波处理，生成表示Id＊+ΔId′的低通滤波值的d轴磁通指令值Φ2d＊。因此，如图5的(d)所示，在没有消磁控制的情况下，到d轴磁通指令值Φ2d＊收敛为零为止，需要时间t1～t4。与此相对，在有消磁控制的情况下，d轴磁通指令值Φ2d＊在时间t1～t3收敛至零。即，通过消磁控制的有效化，d轴磁通指令值Φ2d＊收敛至零的时间从时间t4缩短到t3。
如上所述，即使在表1的#1～3的状态下，也能够通过上述的消磁控制始终在短时间内产生表1的#4的状态，通过在此基础上实施连接切换，能够可靠地避免接点电弧。此外，由于能够使连接切换所需的时间最小化，因此能够维持作为旋转机驱动系统的要求性能，并且能够在较宽的旋转范围内提高效率曲线。即，能够从低速旋转区域延续到高速旋转区域提高旋转机103的效率。
将以上叙述的连接切换的次序总结于图6的流程图。在图6中，在控制装置105中，内部电压估计部109使用基于相电流信息106A由逆变控制部108运算的旋转频率、励磁磁通的信息，来估计由旋转机103的励磁磁通感应的线间内部电压Vac(S1)。接下来，逆变控制部108根据内部电压估计部109的估计结果，来判定直流电压Vdc是否比线间内部电压Vac大(S2)。在步骤S2中，在判定为直流电压Vdc不大于线间内部电压Vac的情况下(否)，即，在判定为直流电压Vdc比线间内部电压Vac小的情况下，逆变控制部108执行消磁控制(S3)，返回步骤S1的处理，反复进行步骤S1～S2的处理。
另一方面，在步骤S2中，在判定为直流电压Vdc比线间内部电压Vac大的情况下(是)，逆变控制部108执行从逆变装置101向旋转机103的电流供给停止的控制(S4)，向绕组指令部110输出连接切换的指令。接受到连接切换的指令的绕组切换指令部110对绕组切换装置120输出连接切换的指令(S5)。其结果，通过绕组切换装置120执行旋转机103的绕组的连接切换。
之后，逆变控制部108执行从逆变装置101向旋转机103的电流供给再次开始的控制(使IGBT进行开关动作的控制)(S6)，结束该例程中的处理。
然而，若随着旋转机103的绕组的连接切换而停止从逆变主电路141向旋转机103的电流供给，则旋转机103的转矩成为零，因此成为旋转机103仅通过旋转机驱动系统的惯性而旋转的状态。此外，在连接切换之后再次开始从逆变主电路141向旋转机103的电流供给的情况下，由于使旋转机103的转矩从零上升，因此在达到所希望的加速性能、旋转条件之前需要时间。在搭载于车辆的旋转机驱动系统的情况下，存在因存在这样的期间而使乘坐舒适性变差的课题。
因此，在本实施例中，发现了控制消磁等级，以使在进行了上述消磁控制之后，使线间内部电压Vac仍成为能够由内部电压估计部109估计的大小，从而留下励磁磁通的方法。由此，即使在实施了连接切换之后，逆变控制部108也容易基于残留的励磁磁通来运算电流接通相位，能够顺畅地再次开始从逆变主电路141向旋转机103的电流供给。此外，通过残留励磁磁通，能够将再次开始电流供给后的旋转机3的转矩上升时间限制在最小限度。
上述的控制特别是在1C1M的系统中，在防止连接切换时的减速这一点上是有效的。
此外，对于将逆变装置1台和旋转机的至少2台组合而驱动的1CnM(n＝2、3、4、···)的结构，也能够得到同样的效果，因此是有效的。
此外，在至少包含2组以上1CnM(n＝1，2，3···)的组合的旋转机驱动系统中，通过针对每个组错开连接切换的定时，能够进一步降低连接切换时的减速影响。
另一方面，在某种程度上容许绕组的连接切换所需要的时间的旋转机驱动系统中，也可以控制消磁等级，使得在进行消磁控制后，线间内部电压Vac小到不能由内部电压估计部109估计的程度。即，控制装置105控制消磁等级，以使进行消磁控制后的线间内部电压Vac在以基于相电流信息106A估计出的值来看时为零。此时，控制装置105进行消磁控制后的线间内部电压Vac由于是控制装置105基于相电流信息106A估计为零程度的大小，因此实质上也为零。由此，能够使接点间(末端-始端间)的电位差最小化，因此能够进一步提高接点的耐老化性。
在本实施例中，随着旋转机103的绕组的连接切换，旋转机103的电路常数发生变化，因此，在逆变装置101中记录表示连接切换的前后各自的绕组连接状态的多个控制参数。而且，进行编程，以使得在从停止从逆变主电路141向旋转机103的电流供给起至接下来再次开始电流供给为止的期间，将内部电压估计部109、逆变控制部108的运算中使用的控制参数的至少一个从连接切换前的控制参数变更为连接切换后的控制参数。由此，能够顺畅地实施电流供给再次开始后的旋转机103的转矩上升。
另外，在永磁铁同步机中，励磁磁通通过永磁铁的磁化而始终产生。因此，对于表1的#1～3，只要从定子施加抵消永磁铁的磁化那样的电流即可，通过应用上述的消磁控制，能够始终做出表1的#4的状态，通过在此基础上实施连接切换，能够可靠地避免接点电弧。其中，消磁所需的能量变大，因此存在伴随消磁控制的转矩冲击变大的情况。在这一点上，绕组连接的切换优选在包含感应机的旋转机驱动系统中实施。
此外，在同步磁阻式旋转机的情况下，转子铁芯的残留磁化成为励磁磁通源。在该情况下也同样能够应用消磁控制，通过始终在表1的#4的状态下实施连接切换，能够可靠地避免接点电弧。
根据本实施例，能够在不产生接点电弧的情况下变更旋转机的旋转区域，其结果是，在通过逆变装置进行可变速运转的旋转机中，能够在从低速旋转区域延续到高速旋转区域的旋转范围内提高效率。此外，除了上述效果之外，还具有如下效果。
仅通过内部电压的控制就能够避免接点电弧，因此不需要追加的保护电路，不会花费成本。
由于不使用半导体开关元件而由机械开关构成，因此在切换装置部分不会产生新的电力损失。
实施例2
使用图7，对本发明的第2实施例进行说明。图7是表示本发明的第2实施例中的连接切换定时的说明图。
如图7的(a)所示，在从低速旋转区域向高速旋转区域过渡时，旋转机103的端子电压(电动机端子电压)Vm相对于能够从逆变主电路141供给的最大电压Vmax，在0.5＜Vm/Vmax或者0.5＝Vm/Vmax，且Vm/Vmax＜1或者Vm/Vmax＝1的第1电压比范围内实施连接切换。其理由是，通常在可变速运转的旋转机103中，设计成在端子电压Vm到达最大电压Vmax的转速下效率成为最大。是因为，与此相对，如果是比0.5倍的转速(端子电压为0.5Vmax)高的区域，则在连接切换的前后效率上没有大的差异。
同样地，如图7的(b)所示，在从高速旋转区域向低速旋转区域过渡时，旋转机103的端子电压(电动机端子电压)Vm相对于能够从逆变主电路141供给的最大电压Vmax，在0＜Vm/Vmax或者0＝Vm/Vmax，且Vm/Vmax＜0.5或者Vm/Vmax＝0.5的第2电压比范围内实施连接切换。
根据本实施例，在旋转机103的旋转区域从低速旋转区域向高速旋转区域过渡时，在第1电压比范围内实施连接切换，在旋转机103的旋转区域从高速旋转区域向低速旋转区域过渡时，在第2电压比范围实施连接切换，由此能够使连接切换前后的旋转机103的效率成为最大。
实施例3
使用图8，对本发明的第3实施例进行说明。图8是本发明的第3实施例中的铁道车辆中使用的旋转机驱动系统的结构图。
铁道车辆的驱动装置从架线2经由集电装置5供给电力，经由电力变换装置1向旋转机103供给交流电力，由此驱动旋转机103。旋转机103与铁道车辆的车轴4连结，通过旋转机103控制铁道车辆的行驶。电接地经由导轨3连接。在此，架线2的电压可以是直流以及交流中的任一种。
根据上述实施例，通过将此前的实施例的旋转机驱动系统搭载于铁道车辆系统，能够高效率地运行铁道车辆的旋转机驱动系统。此外，同样的效果也能够在汽车、建筑机械等车辆中得到。
另外，本发明不限于上述实施例，包含各种变形例。例如，上述实施例是为了容易理解地说明本发明而详细说明的例子，并不限定于必须具备所说明的全部结构。此外，能够将某实施例的结构的一部分置换为其他实施例的结构，此外，也能够在某实施例的结构中添加其他实施例的结构。此外，对于各实施例的结构的一部分，能够进行其他结构的追加、删除、置换。
此外，上述的各结构、功能等，也可以通过例如在集成电路中进行设计等而由硬件实现它们的一部分或全部。此外，上述的各结构、功能等也可以通过由处理器解释、执行实现各个功能的程序而以软件实现。实现各功能的程序、表、文件等信息能够预先记录在存储器、硬盘、SSD(Solid State Drive：固态驱动器)等记录装置、或者IC(IntegratedCircuit：集成电路)卡、SD(Secure Digital：安全数字)存储卡、DVD(Digital VersatileDisc：数字多功能盘)等记录介质中。
附图标记说明：
1：电力变换装置，2：架线，3：导轨，4：车轮，5：集电装置，101：逆变装置，102：直流电源，103：旋转机，104：逆变电路，105：控制装置，106：相电流检测电路，108：逆变控制部，109：内部电压估计部，110：绕组切换指令部，120：绕组切换装置，141：逆变主电路，142：栅极驱动器，150：定子绕组，151：中性点。

Claims (12)

1.一种旋转机驱动系统，其特征在于，具备：
旋转机，具有多个绕组；
相电流检测电路，对向所述旋转机供给的相电流进行检测；
逆变装置，包含将来自直流电源的直流电力变换为交流电力的逆变电路和基于所述相电流检测电路检测的相电流对所述逆变电路的电力变换进行控制的控制装置，使所述旋转机进行可变速运转；以及
绕组切换装置，通过来自所述控制装置的指令切换所述多个绕组的连接，
所述控制装置执行：
在变更所述旋转机的旋转区域的情况下，停止从所述逆变电路向所述旋转机的电流供给，并且，将通过所述旋转机的励磁磁通感应的线间内部电压比所述直流电源的直流电压小作为条件，将所述旋转机的旋转区域从低速旋转区域切换为高速旋转区域或者从所述高速旋转区域切换为所述低速旋转区域，
对所述旋转机的旋转频率进行控制，并且，基于所述相电流检测电路检测的所述相电流来估计所述线间内部电压，在估计出的所述线间内部电压比所述直流电压小的所述旋转频率下，对所述绕组切换装置指令所述多个绕组的连接切换，
在停止从所述逆变电路向所述旋转机的电流供给前所述连接切换的前后的任一者中所述线间内部电压比所述直流电压大的情况下，进行消磁控制，通过减少励磁电流指令值来使所述旋转机的励磁磁通减少，从而使不管在所述连接切换的前后哪一者所述线间内部电压都比所述直流电压小。
2.根据权利要求1所述的旋转机驱动系统，其特征在于，
所述控制装置执行：
将进行所述消磁控制后的所述线间内部电压维持为能够基于所述相电流检测电路检测的所述相电流来估计的大小，在实施所述连接切换后，基于从所述相电流检测电路检测的所述相电流得到的相位信息，再次开始从所述逆变电路向所述旋转机的电流供给。
3.根据权利要求1所述的旋转机驱动系统，其特征在于，
所述控制装置进行所述消磁控制后的所述线间内部电压在以所述控制装置基于所述相电流估计出的值来看时为零。
4.根据权利要求2所述的旋转机驱动系统，其特征在于，
所述控制装置执行：
具有表示所述连接切换的前后各自的绕组连接状态的多个控制参数，
在从停止所述电流供给起至接下来再次开始所述电流供给为止的期间，将所述多个控制参数中的至少一个从所述连接切换前的所述控制参数变更为所述连接切换后的所述控制参数。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的旋转机驱动系统，其特征在于，
所述控制装置执行：
在使所述旋转机的旋转区域从所述低速旋转区域向所述高速旋转区域过渡时，在所述旋转机的端子电压Vm相对于能够从所述逆变装置供给的最大电压Vmax为0.5＜Vm/Vmax或者0.5＝Vm/Vmax、且Vm/Vmax＜1或者Vm/Vmax＝1的电压比的范围内，实施所述连接切换。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的旋转机驱动系统，其特征在于，
所述控制装置执行：
在使所述旋转机的旋转区域从所述高速旋转区域向所述低速旋转区域过渡时，在所述旋转机的端子电压Vm相对于从所述逆变装置供给的最大电压Vmax为0＜Vm/Vmax或者0＝Vm/Vmax，且Vm/Vmax＜0.5或者Vm/Vmax＝0.5的电压比的范围内实施所述连接切换。
7.根据权利要求1～4中的任一项所述的旋转机驱动系统，其特征在于，
所述绕组切换装置包含机械式的开关。
8.根据权利要求1～4中的任一项所述的旋转机驱动系统，其特征在于，
所述旋转机是感应机。
9.根据权利要求1～4中的任一项所述的旋转机驱动系统，其特征在于，
是将所述逆变装置1台和所述旋转机1台组合而驱动的1C1M的结构。
10.根据权利要求1～4中的任一项所述的旋转机驱动系统，其特征在于，
是将所述逆变装置1台和所述旋转机的至少2台组合而驱动的1CnM的结构，其中n＝2，3，4，…。
11.根据权利要求10所述的旋转机驱动系统，其特征在于，
至少包含2组以上所述1CnM的组合，其中n＝1，2，3，…。
12.一种车辆，其特征在于，
在搭载对旋转机进行驱动的旋转机驱动系统的车辆中，作为所述旋转机驱动系统，具备权利要求1～11中的任一项所述的旋转机驱动系统。
CN201880090682.6A 2018-03-02 2018-12-11 旋转机驱动系统 Active CN111801887B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018-038105 2018-03-02
JP2018038105A JP7033958B2 (ja) 2018-03-02 2018-03-02 回転機駆動システム
PCT/JP2018/045544 WO2019167379A1 (ja) 2018-03-02 2018-12-11 回転機駆動システム

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111801887A CN111801887A (zh) 2020-10-20
CN111801887B true CN111801887B (zh) 2024-07-05

Family

ID=67804917

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880090682.6A Active CN111801887B (zh) 2018-03-02 2018-12-11 旋转机驱动系统

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11233474B2 (zh)
EP (1) EP3761502B1 (zh)
JP (1) JP7033958B2 (zh)
CN (1) CN111801887B (zh)
WO (1) WO2019167379A1 (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7284671B2 (ja) * 2019-09-12 2023-05-31 日立Astemo株式会社 巻線切替装置、並びにそれを用いる回転電機駆動システム
JP7304786B2 (ja) * 2019-10-04 2023-07-07 日立Astemo株式会社 回転機駆動システム及び車両
JP7278230B2 (ja) * 2020-02-28 2023-05-19 日立Astemo株式会社 スイッチ、及び巻線切替装置
JP7258235B2 (ja) * 2020-04-16 2023-04-14 三菱電機株式会社 駆動装置及び空気調和装置
CN113791345B (zh) * 2021-08-11 2022-05-20 华中科技大学 一种交流铜耗计算方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0470556A3 (en) * 1990-08-06 1992-10-21 Cincinnati Milacron Inc. Motor control apparatus and method
JP2008148490A (ja) * 2006-12-12 2008-06-26 Toshiba Corp 回転機駆動システム及び洗濯機並びに回転機の巻線切替え結果確認方法

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01160393A (ja) * 1987-12-17 1989-06-23 Fanuc Ltd ３相誘導電動機の結線切換装置
JPH053694A (ja) 1991-06-26 1993-01-08 Yaskawa Electric Corp 同期電動機の駆動方法
JPH07298682A (ja) 1994-04-18 1995-11-10 Fanuc Ltd 誘導電動機の誘導電圧低減方法、及び誘導電圧低減装置
JPH09201093A (ja) * 1996-01-16 1997-07-31 Meidensha Corp 極数切替電動機の運転制御装置
JP2002291288A (ja) 2001-03-29 2002-10-04 Railway Technical Res Inst 永久磁石同期電動機及び多接点同時短絡接触器
US7224557B2 (en) * 2003-06-28 2007-05-29 Eaton Corporation Method and system of controlling asynchronous contactors for a multi-phase electric load
JP2008022665A (ja) 2006-07-14 2008-01-31 Sharp Corp モータ駆動装置、圧縮機駆動装置及び空調・冷凍装置
US7474074B2 (en) * 2006-11-16 2009-01-06 Emerson Electric Co. Variable speed induction motor with wye-delta switching with reduced drive volt-amp requirement
JP2008211933A (ja) 2007-02-27 2008-09-11 Aisin Seiki Co Ltd 電動機の制御装置、制御方法及びコンピュータプログラム並びに電動機のトルクリップル推定方法
JP4662316B2 (ja) 2007-12-27 2011-03-30 株式会社安川電機 交流電動機の巻線切替装置およびその巻線切替システム
JP2010200439A (ja) 2009-02-24 2010-09-09 Panasonic Corp 洗濯機用モータ駆動装置およびこれを用いた洗濯機
JP5396920B2 (ja) 2009-03-05 2014-01-22 株式会社安川電機 三相交流電動機駆動システムの巻線切替装置
DE102009041878A1 (de) * 2009-09-07 2011-03-10 C. & E. Fein Gmbh Steuerbarer Gleichstrom-Motor mit modifizierter Kennlinie
WO2011135695A1 (ja) * 2010-04-28 2011-11-03 株式会社 日立製作所 電力変換装置
US8638059B2 (en) * 2010-08-11 2014-01-28 Dayton-Phoenix Group, Inc. Control for multi-phase induction motor
JP5537393B2 (ja) * 2010-11-19 2014-07-02 株式会社日立産機システム 巻線切替装置、およびこれを用いた回転電機
US8988016B2 (en) * 2011-10-03 2015-03-24 General Electric Company System and method for traction motor control
JP5569606B1 (ja) * 2013-02-01 2014-08-13 株式会社安川電機 インバータ装置および電動機ドライブシステム
JP5733326B2 (ja) 2013-02-21 2015-06-10 株式会社安川電機 電流形インバータ装置
US20140239876A1 (en) * 2013-02-26 2014-08-28 GM Global Technology Operations LLC Electric drive with reconfigurable winding
CN107078678B (zh) * 2014-07-29 2020-02-07 Tm4股份有限公司 多相电机、驱动器及控制
US9722513B2 (en) * 2014-11-06 2017-08-01 Rockwell Automation Technologies, Inc. Torque-based stepwise motor starting

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0470556A3 (en) * 1990-08-06 1992-10-21 Cincinnati Milacron Inc. Motor control apparatus and method
JP2008148490A (ja) * 2006-12-12 2008-06-26 Toshiba Corp 回転機駆動システム及び洗濯機並びに回転機の巻線切替え結果確認方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP2019154163A (ja) 2019-09-12
CN111801887A (zh) 2020-10-20
WO2019167379A1 (ja) 2019-09-06
US11233474B2 (en) 2022-01-25
JP7033958B2 (ja) 2022-03-11
EP3761502A1 (en) 2021-01-06
EP3761502A4 (en) 2021-11-17
EP3761502B1 (en) 2023-07-12
US20210044238A1 (en) 2021-02-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111801887B (zh) 旋转机驱动系统
US9998052B2 (en) Rotary electric machine control device
JP6394030B2 (ja) インバータ制御装置
JP6256597B2 (ja) インバータ制御装置
US8928264B2 (en) Control device for rotating electrical machine
US20020027789A1 (en) Control device for motor/generators
CN111095778B (zh) 逆变器控制装置
JP2004015892A (ja) インバータの制御装置及び電気自動車
JP6253850B2 (ja) 交流回転電機の制御装置
CN111713012B (zh) 马达控制装置以及使用它的电动车辆系统
JP6241453B2 (ja) モータ駆動装置
JP6307983B2 (ja) インバータ制御装置
JP6173516B1 (ja) 電動機制御装置および電動機制御方法
JP2003174790A (ja) 車両用同期電動機装置
JP6342043B1 (ja) 電動機制御装置および電動機制御方法
JP6305495B1 (ja) インバータ制御装置及びインバータ制御方法
US11855568B2 (en) Motor driving device and method for controlling same
JP6203318B1 (ja) 電動機制御装置および電動機制御方法
Baszynski Torque ripple reduction in BLDC motor based on a PWM technique for open-end winding
JP7445570B2 (ja) 電力変換装置
JP2016163476A (ja) モータ駆動装置、及びこれを備える機器、並びにモータ駆動方法
CN116114165A (zh) 功率转换装置及电动助力转向装置
JP7417941B2 (ja) 回転電機制御装置
US20230261604A1 (en) Rotating electrical machine control device
WO2020174621A1 (ja) モータ駆動装置及び空気調和機

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant