CN1369961A - 交流电动机的驱动装置及驱动方法 - Google Patents

Abstract

在以由整流电路、平滑电容器、逆变器等组成的电路来驱动感应电动机的装置中,用较小容量的平滑电容器就难以应付瞬时停电。在旨在解决这一问题的本发明的驱动装置中,通过整流电路5、平滑电容器6与变频变压逆变器7来驱动感应电动机1。逆变器7具有可再生的结构。在瞬时停电时进行这样的控制,使逆变器7的输出频率与输出电压下降让它进行再生工作,并保持平滑电容器6的电压低于正常值。

Description

交流电动机的驱动装置及驱动方法

技术领域

本发明涉及用以驱动感应电动机等交流电动机的装置及方法，具体涉及由交流-直流变换电路与直流-交流变换电路组合而成的驱动装置与驱动方法。

技术背景

由整流器或变换器构成的交流-直流变换电路和直流连接电容器即平滑电容器与逆变器构成的直流-交流变换电路组合而成的感应电动机的驱动装置，迄今一直被广泛使用着。

可是，交流电源时常会出现瞬时停电和电压下降的问题。加大平滑电容器的容量，是可以应付瞬时停电，但这会使设备庞大并由此加大成本。作为在瞬时停电时继续逆变器控制的方法，业内考虑的方法是：使逆变器的输出频率比感应电动机的空转状态即惯性转动状态的回转速度还低，让感应电动机充当发电机用，并通过直流-交流变换电路向平滑电容器供给再生电能。但是，即使用感应电动机的再生电能给平滑电容器充电，也会因与感应电动机的惯性不一致等与环境条件不相符合的情况而使平滑电容器的电压出现不稳定，从而不能稳定地继续逆变器的控制。并且，电力恢复后，还可能会出现逆变器的输出形成过电流及过电压的状态。

发明内容

本发明的目的在于提供，在瞬时停电和电源电压下降时可使直流-交流变换电路的控制动作得以稳定继续的感应电动机的驱动方法及装置。

(用以解决课题的手段)

旨在解决上述课题、达成上述目的的本发明涉及交流电动机的驱动方法；该方法采用的驱动装置中设有：连接于交流电源端子的交流-直流变换电路、连接于所述交流-直流变换电路一对直流输出端子之间的平滑电容器、连接于所述平滑电容器的可执行再生动作的直流-交流变换电路、用以控制所述直流-交流变换电路的输出频率与输出电压的控制电路；该方法的特征在于：对所述直流-交流变换电路的输出频率与输出电压实施控制，以在所述交流电源端子的电压低于规定值时、通过所述交流电动机以及所述直流-交流变换电路的再生动作使所述平滑电容器的电压保持在其正常时的值与零之间的规定值上。

再者，如权利要求2所述，在上述的交流电源端子的电压低于上述规定值后再回到正常值时，若将上述直流-交流变换电路的输出频率与输出电压中的任一方或两方缓慢地朝向正常值提高，则最为理想。

并且，如权利要求3所述，在设有连接于交流电源端子的交流-直流变换电路、连接于所述交流-直流变换电路一对直流输出端子之间的平滑电容器、连接于所述平滑电容器的可执行再生动作的直流-交流变换电路以及用以控制所述直流-交流变换电路的输出频率与输出电压的控制电路的交流电动机驱动装置中，所述控制电路最好包括：用以检测所述平滑电容器电压的电容器电压检测部分；用以检测所述交流电源端子的电源电压是否低于规定值的电源电压检测部分；用以产生表示所述平滑电容器的电压基准的基准电压的基准电压产生部分；用以形成表示所述电容器电压检测部分获得的检出电压与所述基准电压产生部分获得的基准电压之差的差值信号的差值信号形成部分；基于表示所述电源电压低于规定值的所述电源电压检测部分的输出和表示所述检测电压低于所述基准电压的所述差值信号的形成部分的输出，为通过所述感应电动机和所述直流-交流变换电路的再生动作、使所述平滑电容器电压保持在其正常值与零值之间的规定值上，形成控制所述直流-交流变换电路的输出频率与输出电压的指令信号的频率指令与电压指令形成部分。

并且，如权利要求4所述，最好有这样的部分，该部分对指示所述电源电压高于规定值的所述电源电压检测部分的输出作出响应，形成使所述直流-交流变换电路的输出频率与输出电压缓慢朝正常值升高的频率指令与电压指令。

并且，如权利要求5所述，使所述输出频率与输出电压下降的频率指令与电压指令，最好缓慢地朝向各自大于零的下限值降低，并在到达各自的所述下限值时分别保持在各自的下限值上。

(本发明的效果)

根据本发明的各项权力要求，如因瞬时停电或电压下降交流电源电压一经低于某值，直流-交流变换电路的输出频率与输出电压就受到控制，以通过再生动作保持平滑电容器电压于规定值，因此直流-交流变换电路的动作可以稳定地继续。

并且，根据本发明的权力要求2或4，电力恢复后直流-交流变换电路的输出电流或电压的急剧变化可以得到防止。

附图说明

图1是本发明一实施例的感应电动机驱动装置的示意框图。

图2是图1中整流电路与逆变器的电路图。

图3是图1中PWM控制信号形成电路的详细电路图。

图4是图1中频率指令及电压指令形成电路的电路图。

图5是表示图1与图3中各部分状态的波形图。

图6是图2中比较电路的输入输出波形图。

(符号说明)

1.感应电动机

5.整流电路

6.平滑电容器

7.逆变器

8.PWM控制信号形成电路

10.频率指令及电压指令形成电路

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施例。

如图1所示，本发明实施例的三相感应电动机1的驱动装置2比如可以由如下各部分组成：连接于50Hz的正弦波三相交流电动机的第一、第二与第三输入端子4a、4b、4c，整流电路5，可称为直流连接电容器的平滑电容器6、变频变压型逆变器7，PWM控制信号形成电路8，电容器电压检测电路9，以及频率指令与电压指令形成电路10。

作为交流-直流变换电路的整流电路5，如图2所示，由跟三相的第一、第二与第三输入端子4a、4b、4c连接的第一至第六二极管5a～5f组成的三相桥式整流电路构成。再有，整流电路5可以变形为采用半导体开关的通、断方式的周知的变换器电路，即开关整流电路。

平滑电容器6连接在整流电路5的一对直流输出端子与逆变器7的一对输入端子之间的一对直流接线11、12之间。该平滑电容器6充当逆变器7、PWM控制信号形成电路8以及频率指令与电压指令形成电路10的直流电源。

作为直流-交流变换电路的逆变器7是众所周知的三相桥式逆变器，例如，它由图2所示的三相桥式连接的晶体管构成的第一、第二、第三、第四、第五与第六开关Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6以及与这些晶体管反向并联的第一、第二、第三、第四、第五与第六二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6组成。第一至第六二极管D1～D6，既有将感应电动机1的再生电力输送给平滑电容器6的功能，又有保护第一至第六开关Q1～Q6的功能。另外，逆变器7可对输出频率与输出电压实施控制。

连接于逆变器7的感应电动机1驱动具有惯性的回转负载13。当处于逆变器7停止向感应电动机1供电的状态时，感应电动机1的转子在惯性的作用下转动，这时感应电动机1工作于发电机状态，向逆变器7一侧输送再生电力。

PWM控制信号形成电路8，是形成使图2所示逆变器7的桥式连接的第一至第六开关Q1～Q6通、断的第一至第六控制信号的电路。如图3所示，组成该电路的包括：频率指令线20，电压指令线21，电压控制振荡器(即VCO22)，三相正弦波产生电路23，第一、第二与第三乘法器24、25、26，锯齿波发生电路27，第一、第二与第三比较器28、29、30，第一、第二与第三NOT电路31、32、33，以及空载时间(dead time)给予电路34。

连接于频率指令线20的VCO22，产生其频率对应于指令线20的频率指令电压Vf1的时钟信号。

连接于VCO22的三相正弦波产生电路23，产生跟VCO22的输出同步但有120度相位差的三相正弦波电压Va、Vb、Vc。三相正弦波电压Va、Vb、Vc的频率对应VCO22的输出频率而变化。

跟电压指令线21和三相正弦波产生电路23连接的第一、第二与第三乘法器24、25、26，将指令线21上的电压指令电压V1跟第一、第二与第三正弦波电压Va、Vb、Vc相乘，输出第一、第二与第三相电压指令值Va’、Vb’、Vc’。

锯齿波发生电路27，以高于三相正弦波电压Va、Vb、Vc频率的数倍以上的很高的重复频率(例如20～150kHz)产生锯齿波电压或三角波电压的载波信号。

第一、第二与第三比较器28、29、30，跟第一、第二、第三乘法器24、25、26以及锯齿波发生电路27连接，将第一、第二与第三相电压指令值Va’、Vb’、Vc’跟锯齿波电压Vt作比较，产生供第一、第三与第五开关Q1、Q3、Q5用的PWM控制信号Vg1、Vg3、Vg5。图6(A)表示了输入第一比较器28的第一相电压指令值Va’和锯齿波电压Vt，图6(B)概略表示了从第一比较器28输出的第一控制信号Vg1。第二与第三比较器29、30的动作跟第一比较器28的相同。

第一、第二与第三NOT电路31、32、33形成由第一、第二与第三比较器28、29、30的输出的相位反转信号构成的第二、第四与第六控制信号Vg2、Vg4、Vg6，供第二、第四与第六开关Q2、Q4、Q6使用。空载时间给予电路34，以周知的方法在第一与第二开关Q1、Q2的接通时段之间，第三与第四开关Q3、Q4的接通时段之间，第五与第六开关Q5、Q6的接通时段之间提供休止期间即空载时间，这同时也防止了上述开关成为接通状态。得到空载时间的第一至第六控制信号Vg1～Vg6，被送至第一至第六开关Q1～Q6的控制端。这样，第一至第六开关Q1～Q6依据第一至第六控制信号Vg1～Vg6来接通或断开，就可从逆变器7获得三相正弦波输出。

频率指令与电压指令形成电路10，如图4所示，包括：用以输入检测图1的平滑电容器6的电压检测电路9输出值的输入线9a，基准电压产生电路41，第一减法器42，补偿器43，限制器44，第二减法器45，电压指令值形成电路46，停电检测电路47，加速时间确定电路48，频率确定用基准产生电路49，修正值产生电路50，以及第三减法电路51。

下面，参照显示图1至图3各部分电压状态的图5，对图4的频率指令与电压指令产生电路10作详细说明。

停电检测电路47连接于输入端子4a、4b，如图5(A)所示，当输入端子4a、4b之间的输入电压Vin的振幅在t1～t 3期间低于所示规定电平时，输出图5(C)所示的表示停电状态的低电平信号Ta。

基准电压产生电路41，在正常时即非停电时产生跟平滑电容器6的检出电压Vdc相当的基准电压Vdcr。第一减法器42的一个输入端子跟导线9a连接，另一个输入端子跟基准电压产生电路41连接。执行Vdcr-Vdc运算的第一减法器42的输出，在交流电源3正常即通电时为零或较小的值，在t1～t3停电期间增大。

与第一减法器42相连接的补偿器43，由例如比例积分(PI)补偿器构成，它对减法器42的输出作平滑处理然后输出。补偿器43所连接的限制器44，对补偿后的差值信号ΔVdc加以限制，以确定停电时逆变器输出频率的下限，然后输出ΔVdf。电容器检出电压Vdc，如果在本发明装置中不能实施控制就会快速下降，从而使逆变器7和PWM控制信号形成电路8的动作不能继续维持。对此，本实施例中，通过再生动作使平滑电容器6的电压Vdc的降低受到抑制，如图5(E)所示。第一减法器42的输出从图5所示的停电开始的时刻t1开始缓慢增大，因限制器44的作用被限制于最大值Vmax。再有，停电时间短的场合，有可能在限制器44还未作用之前就电力恢复了。

频率基准值产生电路49，产生图5(G)所示的频率基准值Vfr。该频率基准值Vfr跟正常时逆变器7的输出频率的目标值相当。逆变器7的输出频率依据该基准值Vfr变化。

修正值产生电路50，跟停电检测电路47、加速时间确定电路48与补偿器43连接，它产生图5(H)所示的修正值Vfc，该值决定于其所连接的三个部件。修正值Vfc在图5(C)的t1～t3的停电期间Ta的起始同步地从修正基准值即零起倾斜地增大，在停电结束后的t3～t4期间倾斜地降下。t3～t4期间的长度由加速时间确定电路48任意确定。图5(H)的t1～t3期间是减速修正区间，t3～t4期间Tb是加速修正区间。图5(H)的修正值Vfc所包含的t3～t4所示加速期间Tb的值Vfacc由下式确定。

Vfacc＝K/(At)

式中，K表示补偿器43提供的补偿器系数，t表示到逆变器目标频率为止的加速时间，A表示加速系数。停电期间Ta修正值的变化可用Kt表示。再有，系数K具有与补偿器43的输出电平对应的值。

第三减法器51从图5(G)的基准值Vfr中减去图5(H)所示的修正值Vfc，获得图5(I)的修正基准值Vfrc送至第二减法器45。

第二减法器45从图5(I)的修正基准值Vfrc减去图5(F)的差值信号ΔVf，产生图5(J)所示的频率指令电压Vf1。该频率指令电压Vf1在t1～t3的停电期间Ta缓慢减小，在停电结束后的t3～t4加速期间Tb缓慢增大。频率指令电压Vf1经由导线20供给图3的VCO22。VCO22将其频率跟频率指令电压Vf1成比例的时钟信号送至三相正弦波产生电路23。因此，逆变器7的输出频率在停电期间Ta缓慢地降低，这使在负载13的惯性作用下回转的感应电动机1的再生动作成为可能。在电力恢复后的加速期间Tb中，由于频率指令电压Vf1缓慢增大，感应电动机1的回转速度Nr如图5(B)所示缓慢加快，这就可防止过电流与过电压的出现，由此也可防止跳闸动作即逆变器动作的中断。

图4的电压指令形成电路46，由电平变换电路52、修正器53、修正电压产生电路54、RC时间常数电路55组成。电平变换电路52与导线20连接，它变换频率指令电压Vf1的电平，使之适合电压指令电压V1的电平。通过该变换，获得与Vf1成比例的电压Vv1。修正电压产生电路54，产生低于正常时的电压指令电压V1的修正电压Vc。该修正电压Vc确定停电时电容器电压Vdc的下限值。修正器53同电平变换电路52、修正电压产生电路54及停电检测电路47连接；它由开关电路构成，该电路有选择地将图5的t1～t3期间的修正电压Vc输出，在这以外的期间有选择地将电平变换电路52的输出Vv1输出。因此，由该开关电路构成的修正器53在图5的t1之前与t3之后输出Vv1，在t1～t3期间输出Vc。

连接于修正器53的RC常数电路55，有时也被称为第二修正器，如图5(K)所示它使从修正器53获得的阶梯状信号在t1～t2期间及t3～t4期间按时间常数缓慢地改变。从时间常数电路55获得的电压指令电压V1经由导线21被送至图3的第一、第二与第三乘法器24、25、26。

如果使停电期间Ta及停电恢复后的加速期间Tb的电压指令电压V1如图5(K)那样变化，逆变器7的输出电压V0就随之成比例地改变。在停电期间Ta逆变器7的输出电压一旦被压低下来，逆变器7的各开关Q1～Q6的接通时间宽度就变短，使给作为负载的感应电动机1的供电受到限制，从而平滑电容器6的能力释放也就受到了限制。并且，在停电期间Ta，感应电动机1在惯性的作用下回转，通过再生动作向平滑电容器6充电，从而如图5(E)所示使电容器6的电压降低得到了抑制。其结果，即使在负载13的惯性较小的状态下发生较长时间的停电或电压跌落，也可继续维持逆变器7的工作。再有，再生动作结束后又发生停电，则电容器电压Vdc就会降低，逆变器7停止工作。

并且，由于通过加速时间确定电路48可以任意地设定电力恢复后的加速时间Tb，来抑制逆变器7的输出频率与输出电压的急剧上升，流经逆变器7的电流Io如图5(L)所示缓慢地上升，从而不仅可以防止过电流，也可以防止过电压的发生。其结果，防止了逆变器7控制的中断，使之稳定地继续运转。

并且，由于利用产生频率指令电压Vf1的第二减法器45的输出来产生电压指令电压V1，可以较为容易地以简单的电路形成频率指令与电压指令。

(改型例)

本发明并不限于上述的实施例，例如可以有如下的各种改型。

(1)逆变器7可以采用单相桥式逆变器等其他类型的逆变器。

(2)虽然在图1与图2中未表示基于逆变器7的输出电压与频

   率的检测值的反馈控制电路，但是可以附加这样的电路。

(3)图4中将从频率指令形成电路获得的频率指令电压Vf1输

入电压指令形成电路46，但是也可以不使用频率指令电压

Vf1来形成电压指令电压V1。(4)频率指令电压Vf1与电压指令电压V1，可以采用图4所示电路以外的各种电路来形成。(5)开关Q1～Q6可以采用IGBT(绝缘栅双极型晶体管)或FET等半导体开关。并且，二极管D1～D6也可以为开关Q1～Q6的内置二极管。(6)电力恢复时，也可以只使频率指令电压Vf1与电压指令电压V1中任一方缓慢地升高。

Claims (5)

1.一种交流电动机的驱动方法，该方法采用的驱动装置中包括：连接于交流电源端子的交流-直流变换电路、连接于所述交流-直流变换电路的一对直流输出端子之间的平滑电容器、连接于所述平滑电容器的可再生动作的直流-交流变换电路、对所述直流-交流变换电路的输出频率与输出电压进行控制的控制电路；

其特征在于：对所述直流-交流变化电路的输出频率与输出电压进行控制，以在所述交流电源端子的电压比规定值还低时，通过所述交流电动机与所述直流-交流变换电路的再生动作，将所述平滑电容器的电压保持在其正常值与零之间的规定值上。

2.如权力要求1所述的驱动方法，其特征在于：在所述交流电源端子的电压低于所述规定值之后再返回正常时，将所述直流-交流变换电路的输出频率与输出电压中的任一方或两方缓慢地朝向正常值提高。

3.一种交流电动机的驱动装置，该驱动装置包括：连接于交流电源端子的交流-直流变换电路、连接于所述交流-直流变换电路的一对直流输出端子之间的平滑电容器、连接于所述平滑电容器的可再生动作的直流-交流变换电路、对所述直流-交流变换电路的输出频率与输出电压进行控制的控制电路；

所述控制电路的特征在于包括：

用以检测所述平滑电容器电压的电容器电压检测部分；

用以检测所述交流电源端子的电源电压是否低于规定值的电源电压检测部分；

用以产生表示所述平滑电容器电压基准的基准电压的基准电压产生部分；

用以形成表示所述电容器电压检测部分的检出电压与所述基准电压产生部分的基准电压之差的差值信号的差值信号形成部分；

基于表示所述电源电压低于规定值的所述电源电压检测部分的输出和表示所述检测电压低于所述基准电压的所述差值信号的形成部分的输出，为通过所述感应电动机和所述直流-交流变换电路的再生动作、使所述平滑电容器电压保持在其正常值与零值之间的规定值上，形成用以控制所述直流-交流变换电路的输出频率与输出电压的指令信号的频率指令与电压指令形成部分。

4.如权利要求3所述的驱动装置，其特征在于包括频率指令与电压指令形成部分，该部分对表示所述电源电压高于规定值的所述电源电压检测部分的输出作出响应，使所述直流-交流变换电路的输出频率与输出电压缓慢地朝向正常值升高。

5.如权利要求3或4所述的驱动装置，其特征在于：使所述输出频率与输出电压下降的频率指令与电压指令，缓慢地朝向各自大于零的下限值降低，并在到达所述下限值时分别保持在各自的下限值上。

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