TW201541852A

TW201541852A - 馬達電力轉換裝置

Info

Publication number: TW201541852A
Application number: TW104103617A
Authority: TW
Inventors: Sumio Kobayashi; Makoto Takase
Original assignee: Hitachi Ind Equipment Sys
Priority date: 2014-02-10
Filing date: 2015-02-03
Publication date: 2015-11-01
Also published as: EP3107204A1; JP6298835B2; EP3107204B1; EP3107204A4; WO2015118678A1; CN106031024A; TWI578689B; CN106031024B; JPWO2015118678A1

Abstract

鐵損為馬達之損耗之一，鐵損於馬達之高速區域急遽變大，基於馬達之電流檢測之電流平方時間積固定地進行動作之過載檢測用電子熱無法保護馬達。未對馬達之繞組安裝溫度檢測器，即可正確地檢測銅損、鐵損、機械損耗、雜散負載損耗等總損耗，並進行馬達之過載檢測保護。將除包含銅損以外亦包含鐵損或難以定量地預測之雜散負載損耗、機械損耗的總損耗，作為自馬達輸入電力中減去輸出電力所得之總損耗而進行計算，馬達於包含動力運行、再生運轉之4象限運轉中亦始終進行計算並檢測，且由總損耗時間積固定地進行動作之過載保護用電子熱而實現。

Description

馬達電力轉換裝置

本發明係關於一種馬達電力轉換裝置，且係關於一種檢測馬達之損耗而進行過載保護的馬達電力轉換裝置。

一般於工業界，於各種生產工廠等處，風扇、空調機器、泵、食品加工機械、包裝機械、搬送機械等中因作為動力源之速度控制用途，而使用基於反相器驅動之通用感應馬達(感應型馬達)、或永久磁鐵式無刷DC(Direct Current，直流)馬達，又，於半導體、液晶製造裝置、電子零件製造組裝機械、工業用機器人、金屬加工機械、鍛造機械、其他生產現場以外等處，娛樂機器、醫療機器、電子式費用自動收受系統、升降機、交通工具用模擬器等有效利用優異之伺服控制，因速度、轉矩控制、位置控制用途，而於加速、固定速度運轉或減速、定位停止等中使用永久磁鐵式AC(Alternating Current，交流)伺服馬達、或向量控制反相器驅動專用之感應型馬達。

於鍛造機械中，由板材而沖裁出汽車之車身等，並利用壓製機進行拉拔加工，驅動馬達使用低速高轉矩特性優異之AC伺服馬達。使用AC伺服馬達之壓製機之一例中，能夠重複進行滑塊之急加速、減速之上下運動若干次，就沖模而言，於材料之正前方將加工速度自滑塊之高速動作減速為急低速而進行拉拔加工，藉此，可防止模具之因溫度上升而導致之燒傷，可提高成形品內加工外徑之尺寸精度，且可在加壓中使滑塊暫時停止而使油壓裝置作動等，先前壓製機中較為困難之成形亦能夠容易地進行。

AC伺服馬達為了應對該等要求性能，對轉子使用高性能永久磁鐵之稀土元素(例如釹(Nd))，且置於運轉中馬達內變成高溫之環境。因此，為了進一步提高永久磁鐵之耐熱性，於一部分使用鏑(Dy)作為添加劑，從而應對因低慣性力矩產生之高響應化。而且，將伺服壓製機用AC伺服馬達之最大效率以成為使用最頻繁之低速高轉矩區域之方式專用設計。

然而，對於伺服壓製機，要求旋轉速度之高速化，要求在無負載運轉時於高速區域儲存旋轉能量而於下一動作中利用該能量進行鋼材之沖孔加工等。

AC伺服馬達難以實現使最大效率域滿足低速高轉矩與新的高旋轉速度區域之兩者之設計，是將最大效率設計之重點放在低速高轉矩區域或者是獲得兩區域之平衡之平均設計係一如既往地根據壓製機之規格而判斷。

於上述狀況下，判明如下情況：對轉子使用高性能永久磁鐵之AC伺服馬達中，在高速區域負載轉矩為額定轉矩以下而產生馬達之溫度上升大之現象，此係馬達之鐵損之影響。所謂鐵損，係指產生於鐵心之損耗，因通過鐵心之磁通發生變化而產生。為了減小該鐵損，馬達之鐵心係堆積較薄之矽鋼板而製成。又，鐵損無法由基於馬達電流之電子熱進行過載保護。越是為高性能永久磁鐵，該鐵損之影響越顯著，先前之AC伺服馬達中所使用之一般之永久磁鐵不會出現問題。

關於該鐵損，即便為感應型馬達，施加至馬達之電壓亦變高而為過激磁狀態的情形時，即便馬達電流為額定電流以下，有時亦會燒毀。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開2008-172949號公報

[專利文獻2]日本專利特開平10-174276號公報

[專利文獻3]日本專利特開2008-220002號公報

[非專利文獻]

[非專利文獻1]「日立評論第83卷3號專集2最近之工業用馬達驅動機器及其應用」日立評論社2001年3月發行

於利用馬達驅動電力轉換裝置之馬達驅動系統中，根據因馬達之轉子之低慣性化而產生之高響應化之要求，於永久磁鐵形馬達(稱為PM(Permanent Magnet)馬達)採用高性能磁鐵。另一方面，根據馬達之旋轉速度之高速化之要求，雖然於高速區域為額定電流以下但因馬達之鐵損而溫度上升，必須利用內置於馬達繞組之溫度檢測器保護馬達，而存在溫度檢測器之成本提高之問題。又，採取如下方法，即，作為馬達之過載檢測，檢測馬達之電流，藉由電流平方時間積固定地進行動作之電子熱保護檢測，使馬達停止運轉而防止燒毀，但鐵損利用馬達電流之檢測無法進行保護。關於該鐵損，即便為感應型馬達，施加至馬達之電壓亦變高而成為過激磁狀態時，即便馬達電流為額定電流以下，有時亦會燒毀。

關於馬達之損耗之種類，於非專利文獻1所示之頁45之表2中示出馬達之損耗減少對策，於表內之損耗欄中示出機械損耗、鐵損、一次銅損、二次銅損、雜散負載損耗之5種。再者，關於二次銅損，將馬達為感應型之情形且轉子為永久磁鐵之AC伺服馬達、DCBL(Direct Current Brushless，直流無刷)之情形除外。又，於頁45之圖3中，由圖示出馬達之損耗與負載率之關係，記載有鐵損、機械損耗不受負載率之變動之影響的內容。

於專利文獻1中揭示有如下方法：考慮馬達為感應電動機且以過激磁狀態運轉之情形時增加之鐵損而確實地對馬達進行過熱保護，由於無法由進行通常之過載保護之電子熱進行保護，故而將成為電動機之基準之額定電壓/額定頻率、與經頻率電壓運算部修正後之輸出電壓指令/頻率指令之比作為磁通比而進行運算，當判斷馬達為過激磁時，根據過激磁狀態修正馬達之檢測電流值，進行過熱保護。於該方法中，關於以何種程度修正檢測電流值，必須掌握馬達之總損耗與因鐵損而產生之損耗之量，但於專利文獻1中僅記載有銅損與鐵損，並無關於總損耗之記載。又，馬達之每種損耗之損耗量之掌握必須進行馬達之磁場解析模擬，只要電力轉換器(反相器)為電壓/頻率控制，則馬達並不限於本公司製造，亦考慮其他公司製造，無法獲得磁場解析模擬之資料之情形較多。

專利文獻2中，於感應電動機中，於定子繞組之附近設置溫度檢測器作為馬達之保護裝置，防止定子繞組燒毀，但設置溫度檢測器存在成本提高之問題。

專利文獻3中，先前，僅利用銅損進行馬達之過載保護，包含機械損耗與鐵損之旋轉損耗未被考慮到過載檢測中，當判定為銅損與旋轉損耗之兩者之預測值之合計值超過特定值時檢測過載，但未對每種損耗之值進行論述。又，求出馬達之電流檢測值及馬達之旋轉速度檢測值之各自平均值，並除以額定電流、額定旋轉速度，以各比率之和之合計值進行論述，因此，未提及按馬達個體差區分之損耗之種類及各者之量。

對於因鐵損、機械損耗、雜散負載損耗之影響所致之馬達之溫度上升的保護，係無法利用基於馬達電流之電子熱之監視進行過載保護，而代替馬達電流檢測之正確之過載保護方法。

又，若將馬達損耗之種類分為無負載損耗與負載損耗，則無負載損耗有鐵損、機械損耗，鐵損進而分為遲滯損耗與渦電流損耗。又，負載損耗有銅損與雜散負載損耗，銅損有一次銅損，若為感應型馬達則有二次銅損。一般地，雜散負載損耗係將自總損耗減去銅損、鐵損、機械損耗後所剩下之損耗作為雜散負載損耗而進行處理，難以定量地預測。

關於鐵損之遲滯損耗與渦電流損耗，先前以來，作為司坦麥茲之實驗式而廣為人知，遲滯損耗Ph成為下述(數式1)之關係，渦流損耗Pe成為下述(數式2)之關係。

(數式1)Ph=Kh×f×Bm ^1.6

此處，Kh：比例常數，f：頻率，Bm：最大磁通密度

(數式2)Pe=Ke×(t×f×Bm) ² /ρ

此處，Ke：比例常數，t：鐵板厚度，f：頻率，Bm：最大磁通密度，ρ：磁體之電阻率

遲滯損耗與頻率(馬達旋轉速度)成比例，渦電流損耗與頻率(馬達旋轉速度)之平方成比例，因此，尤其於高速時變大。鐵損由於根據轉子之芯體之材質、板厚、芯體之剖面孔形狀而形成磁路，故而藉由磁場解析模擬而求出。

重要的是正確地檢測合計各種損耗所得之總損耗量，並基於此防止線圈之燒毀等而保護馬達。

為了解決上述問題，例如，應用申請專利範圍記載之構成。即，一種馬達電力轉換裝置，其具備馬達之過載保護用電子熱功能，且包含總損耗時間積算計數器，該總損耗時間積算計數器係馬達之總損耗時間積固定地進行動作，輸出模擬馬達之繞組溫度所得之積算值，當上述積算值達到特定臨限值時，輸出使馬達之運轉停止之信號。

進而，於此種馬達電力轉換裝置，總損耗時間積算計數器係包含上述馬達電力轉換裝置之逆變器之損耗的馬達之總損耗時間積固定地進行動作者。

進而，不管交流馬達、直流馬達或永久磁鐵式馬達、感應形馬達，馬達均發揮將電能轉變為功之能量的作用。但是，輸入至馬達之輸入電力Pin中，並非全部以功之能量之形式發揮作用，一部分於馬達之內部無謂地被消耗而產生熱、聲音。對功有用之電力為輸出電力Pout，對連結於馬達之負載賦予轉矩T與旋轉速度Nf。輸入及輸出以W(瓦特)之單位表示。輸入Pin、輸出Pout、損耗Ploss與效率η之關係式係由下述(數式3)(數式4)表示。

(數式3)η=Pout/Pin×100(%)

(數式4)Ploss=Pin-Pout(W)

馬達之損耗大部分以熱之形式通過安裝冶具等金屬固體而傳導，自馬達表面之冷卻肋向大氣中形成自然或強制對流，進行輻射，一部分作為聲音發散至周圍。對於馬達之溫度上升，作為銅損，係以(流向繞組之電流之平方)×(繞組電阻)發熱，鐵損係根據產生於鐵心之磁通之變化，使定子側之芯體或埋入有磁鐵之埋入型構造之轉子側芯體發熱。定子側之芯體中存在馬達繞組，若因鐵損而芯體發熱，則通過芯體而繞組之溫度亦上升。又，機械損耗中，軸承之摩擦之損耗、風扇之通風阻力亦朝使馬達繞組溫度上升之方向產生作用。雜散負載損耗係此處敍述之損耗以外之轉子與定子間之間隙中之磁通密度之減少等。

再者，於用戶機中，馬達與馬達驅動電力轉換裝置一同安裝於機器內，因馬達之溫度上升而同一室內之馬達驅動電力轉換裝置之溫度亦上升，相互使室溫上升之情形時，可將總損耗作為馬達與馬達驅動電力轉換裝置(逆變器)之合計而進行保護。

如此，將亦包含無法由基於電流檢測之電流平方時間積檢測的鐵損、難以定量地預測之雜散負載損耗、或機械損耗在內的總損耗作為自(數式4)所示之輸入電力Pin(W)中減去輸出電力Pout(W)所得之總損耗Ploss(W)，於馬達動力運行運轉時之固定速度恆定狀態、及加速、減速時、進而能量自輸出流向輸入側之再生運轉時，均始終以(數式4)進行運算，藉此進行檢測而實現。亦為如下者，即，根據檢測出之損耗，基於過載保護特性曲線，以總損耗(W)與時間(s)之積(J：焦耳)相加或相減，當達到預先設定之臨限值時，判定為過載，使馬達之運轉停止而進行保護。

再者，焦耳為能量之單位，以前為以1焦耳=0.24卡路里進行轉換所得之熱量，此處，以焦耳進行處理。

根據本發明之一態樣，可正確地檢測合計各種損耗所得之總損耗量，並基於此防止線圈之燒毀等而保護馬達。

本發明之其他課題或效果根據以下之記載而變得明確。

1a‧‧‧馬達

1b‧‧‧馬達

2a‧‧‧順變器

2b‧‧‧具有電源再生功能之順變器

3‧‧‧平流用電容器

4‧‧‧逆變器

5‧‧‧開關元件

6‧‧‧飛輪二極體

7a‧‧‧永久磁鐵形同步馬達(SM)

7b‧‧‧感應馬達(IM)

8‧‧‧編碼器

9‧‧‧U相電流檢測器CTu

10‧‧‧W相電流檢測器CTw

11‧‧‧速度控制器(ASR)

12‧‧‧d軸電流控制器(ACR)

13‧‧‧q軸電流控制器(ACR)

14‧‧‧2相/3相轉換器

15‧‧‧PWM電路

16‧‧‧3相/2相轉換器

17a‧‧‧位置‧速度磁極位置運算器

17b‧‧‧位置‧速度運算器

17c‧‧‧位置‧速度推定運算器

18‧‧‧轉矩運算器

19‧‧‧輸出Pout運算器

20‧‧‧電流運算器

21‧‧‧馬達輸入電力運算器

22‧‧‧電子熱電路

23‧‧‧總損耗運算‧積算電路

24‧‧‧保護處理電路

25‧‧‧速度誤差放大器

26‧‧‧d軸電流誤差放大器

27‧‧‧q軸電流誤差放大器

28‧‧‧相減電路(Ploss=Pin-Pout)

29‧‧‧控制邏輯電路

30‧‧‧P側分壓電阻器

31‧‧‧N側分壓電阻器

32‧‧‧直流側電流檢測器

33‧‧‧絕緣放大器

34‧‧‧DC輸入電力運算器

35‧‧‧磁通運算器

36‧‧‧轉差頻率運算器

37‧‧‧角頻率轉換常數(2π/60)

38‧‧‧加法運算器(ω1=ωr+ωs)

39‧‧‧電壓/頻率控制器

40‧‧‧3相分配器

41‧‧‧有效值換算器

42‧‧‧電流轉矩換算值

43‧‧‧V/F對向量最大轉矩比運算係數

44‧‧‧乘法器

45‧‧‧2f去除濾波

46‧‧‧同步旋轉速度換算係數(120/2p)

47‧‧‧3相倍率係數(×3)

48‧‧‧馬達驅動電力轉換裝置

49‧‧‧交流電抗器

50‧‧‧主電路電源

51‧‧‧控制電路電源

52‧‧‧上位控制裝置

53‧‧‧馬達之繞組電阻測定器

54-0‧‧‧馬達繞組之測定相之切換連接片

54-1‧‧‧馬達繞組U-V端子間測定區塊

54-2‧‧‧馬達繞組V-W端子間測定區塊

54-3‧‧‧馬達繞組W-U端子間測定區塊

55‧‧‧馬達繞組電阻測定時之切斷開關

56‧‧‧總損耗/脈衝頻率轉換器

57‧‧‧停滯時間要素電路

58‧‧‧DN(減法運算)輸入禁止電路

59‧‧‧UP(加法運算)輸入禁止電路

60‧‧‧總損耗時間積算遞增/遞減計數器

61‧‧‧40℃馬達繞組溫度(電源接通時預設)電路

62‧‧‧運轉開始時馬達繞組溫度

63‧‧‧馬達繞組溫度預設資料

64‧‧‧串列介面

65‧‧‧馬達繞組過載設定溫度

66‧‧‧比較器

67‧‧‧反相器閘極

68‧‧‧求和點(指令-反饋)

69‧‧‧求和點(馬達框架溫度上升值-周圍溫度)

70‧‧‧包含積分要素之馬達框架發熱部之傳輸函數

71‧‧‧馬達框架散熱部之傳輸函數

72‧‧‧一次側之損耗相對於馬達之總損耗Ploss之比率

73‧‧‧包含積分要素之馬達一次繞組之傳輸函數

74‧‧‧周圍溫度計測熱敏電阻

75‧‧‧感測器纜線

76‧‧‧過載保護判定電路

cos‧‧‧功率因素

E0‧‧‧感應電壓

f‧‧‧頻率

F‧‧‧頻率

Hε‧‧‧偏差

I‧‧‧電流

Id‧‧‧d軸電流指令

Idc‧‧‧輸出電流

Idf‧‧‧d軸電流反饋

Iq‧‧‧轉矩電流指令信號

Iqf‧‧‧轉矩反饋電流

Iuf‧‧‧電流反饋

Iwf‧‧‧電流反饋

La‧‧‧電感

N‧‧‧速度指令

Nf‧‧‧旋轉速度

OL‧‧‧信號

Ploss‧‧‧總損耗

Pin‧‧‧輸入

Pout‧‧‧輸出

Qf'‧‧‧單位時間之散熱量

Ra‧‧‧電阻

T‧‧‧轉矩

Ta‧‧‧周圍溫度

Tc0‧‧‧馬達框架溫度上升值

Tc1‧‧‧馬達一次繞組之溫度上升值

T(ideal)‧‧‧理想值轉矩

V‧‧‧相電壓

Vd‧‧‧d軸馬達電壓指令

Vpn‧‧‧PN間電壓

Vq‧‧‧q軸之馬達電壓指令

Vu‧‧‧3相信號

Vv‧‧‧3相信號

Vw‧‧‧3相信號

ε‧‧‧速度指令與旋轉速度之差

θr‧‧‧磁極位置信號

ω1‧‧‧角頻率

ωr‧‧‧實際角速度頻率

ωs‧‧‧轉差角頻率

‧‧‧相位角

△t‧‧‧取樣時間

△y‧‧‧加權值

圖1A係對作為應用本發明之一實施形態之馬達驅動電力轉換裝置之馬達之損耗進行說明的圖。

圖1B係對本實施形態中之具有電源再生功能之馬達驅動電力轉換系統之再生時之馬達之損耗進行說明的圖。

圖2係對馬達驅動電力轉換系統之馬達與逆變器之損耗進行說明的圖。

圖3A係基於圖1A之對附有永久磁鐵形感測器之AC伺服馬達驅動電力轉換系統之過載保護進行說明的圖。

圖3B係基於圖2之對附有永久磁鐵形感測器之AC伺服馬達驅動電力轉換系統之過載保護進行說明的圖。

圖4A係基於圖1A之對附有感應形感測器之向量控制馬達驅動電力轉換系統之過載保護進行說明的圖。

圖4B係基於圖2之對附有感應形感測器之向量控制馬達驅動電力轉換系統之過載保護進行說明的圖。

圖5A係基於圖1A之對無永久磁鐵形感測器之DCBL馬達驅動電力轉換系統之過載保護進行說明的圖。

圖5B係基於圖2之對無永久磁鐵形感測器之DCBL馬達驅動電力轉換系統之過載保護進行說明的圖。

圖6A係基於圖1A之對無感應形感測器之向量控制馬達驅動電力轉換系統之過載保護進行說明的圖。

圖6B係基於圖2之對無感應形感測器之向量控制馬達驅動電力轉換系統之過載保護進行說明的圖。

圖7A係基於圖1A之對感應形VF反相器控制通用馬達驅動電力轉換系統之過載保護進行說明的圖。

圖7B係基於圖2之對感應形VF反相器控制通用馬達驅動電力轉換系統之過載保護進行說明的圖。

圖8係對本實施形態中之正倒轉加減速運轉時之速度、轉矩、輸出進行說明的時序圖。

圖9係針對本實施形態中之旋轉速度-轉矩特性於四象限區域對輸出之符號之極性進行說明的圖。

圖10係對本實施形態之永久磁鐵形同步馬達一相份之等效電路進行說明的圖。

圖11係對本實施形態之永久磁鐵形同步馬達之動力運行時之向量圖進行說明的圖。

圖12係對本實施形態之永久磁鐵形同步馬達之再生時之向量圖進行說明的圖。

圖13係對本實施形態之VF控制反相器之最大轉矩進行說明的圖。

圖14係於本實施形態之動力運行時之馬達之旋轉速度-轉矩特性方面對輸入、損耗、輸出電力進行說明的圖。

圖15係於本實施形態之再生時之馬達旋轉速度-轉矩特性方面對輸入、損耗、輸出電力進行說明的圖。

圖16係對本實施形態之相加、相減時之電子熱動作時間進行說明的圖。

圖17係對本實施形態之總損耗最大施加時之加權值進行說明的圖。

圖18係對本實施形態之電子熱之總損耗時間積時之加權值進行說明的圖。

圖19係對本實施形態之與圖16不同之過載保護特性曲線b)進行說明的圖。

圖20係對本實施形態之馬達之耐熱等級及過載施加時繞組溫度自馬達使用溫度範圍之上限值上升至耐熱限度值之動作進行說明的圖。

圖21係完全置換本實施形態之圖3A~圖7B之電子熱電路所得之圖19之過載保護特性曲線b)之電子熱電路的局部圖。

圖22係對本實施形態之馬達繞組溫度之動作進行說明的圖。

圖23係說明對馬達驅動電力轉換裝置預設本實施形態之馬達繞組溫度後之運轉的圖。

圖24係對本實施形態之圖3A~圖7B之電子熱電路之其他態樣進行說明的圖。

圖25係利用溫度感測器檢測本實施形態之馬達之周圍溫度的圖。

以下，一面參照圖式一面對本發明之實施形態詳細地進行說明。

將對馬達驅動電力轉換系統中之馬達1a之損耗進行說明之圖示於圖1A。1a為交流馬達。利用順變器2a將自交流電源供給之電源整流，並藉由平流電容器3進行平流而轉換為直流。繼而，藉由逆變器4自直流電源再次轉換為交流，一面控制馬達1a之轉矩、旋轉速度一面驅動馬達1a。再者，逆變器4包括開關元件5及飛輪二極體6(flywheel diode)。馬達1a之輸出Pout係設為旋轉速度Nf、轉矩T，該等沿馬達輸出軸作為動力被賦予至負載而驅動其機械。馬達輸出Pout之單位表示為瓦特(W)。另一方面，輸入電力Pin係自馬達驅動裝置以各相電壓V、電流I、及相電壓V與電流I之相位差即功率因素cos提供，3相電力之單位以瓦特(W)表示。輸入電力與輸出電力之差成為總損耗，包含銅損、鐵損、雜散負載損耗、機械損耗等。包含該等之總損耗變成馬達之發熱或聲音而釋放至周邊。再者，圖中之箭頭之寬度表示電力之大小之程度，於恆定狀態下，馬達1a獲得輸入電力Pin，並輸出馬達輸出Pout，因此，輸入電力Pin變大而馬達輸出Pout變小，變小之部分成為損耗Ploss。

圖1B表示馬達進行四象限運轉之升降機用馬達1b之情形。升降機用馬達於垂直方向進行升降動作，下降時，一面抑制交通工具升降室於重力方向下落，一面進行於上升方向輸出馬達轉矩並且速度於下降方向順利地變動的再生動作。再生動作由於藉由交通工具升降室因重力下落而使馬達旋轉軸自外部轉動，故而成為一種發電機模式，經發電(再生)之能量自升降機用馬達lb返回至逆變器4，對平流電容器3充電發電(再生)能量。2b為具有電源再生功能之順變器，構成與4之逆變器相同，使平流電容器3中所儲存之發電(再生)能量通過49之交流電抗器而於電源中再生。此時，輸入電力Pin與馬達輸出Pout之關係係能量之流動自負載(機械)側通過馬達1b，經過逆變器4、平流電容器3、具有電源再生功能之順變器2b、交流電抗器49而於電源中再生。此時，圖中之箭頭之方向與圖1A相反，箭頭之寬度係馬達輸出Pout最大而輸入電力Pin變小。

再者，此時，損耗Ploss之箭頭之方向係於與圖1A相同之方向產生損耗之方向，箭頭之方向不會成為相反(產生能量)方向。

圖2係馬達與馬達驅動電力轉換裝置之構成與圖1a相同，但輸入電力Pin並非設為馬達之輸入端子部而設為馬達驅動裝置之逆變器4之輸入部，作為成為順變器2a之輸出點之中間電位之平流電容器3之部分。此表示如下情形：於用戶機內，馬達與馬達驅動電力轉換裝置一同安裝於機械內，因馬達之溫度上升而同一室內之馬達驅動電力轉換裝置之溫度亦上升，相互使室溫上升，因此，可將總損耗對應於馬達與馬達驅動電力轉換裝置之合計。

圖3A係對附有永久磁鐵形編碼器(感測器)之AC伺服馬達驅動電力轉換系統之過載保護進行說明的圖。圖3A中，將檢測輸入電力Pin之點設為圖1A所示之逆變器4之輸出(馬達之輸入端子部)。2a為順變器，對交流電源進行全波整流而轉換為直流，並利用3之平流電容器平流為平滑之直流。該直流電源連接於逆變器4，包括與5之開關元件反並聯地連接之6之飛輪二極體。逆變器4之輸出係通過設置於動力線之9及10之U相、W相電流檢測器CTu、CTw而連接於馬達1a。1a表示馬達整體。馬達1a為AC伺服馬達，且為永久磁鐵形同步馬達7a，包括永久磁鐵形同步馬達7a、及編碼器8，該編碼器8與馬達軸機械連結，檢測上述馬達7a之位置、旋轉速度，並檢測上述馬達7a之轉子之磁極位置。

編碼器8之輸出係輸出至控制邏輯電路29之位置‧速度磁極位置運算器17a。於位置‧速度磁極位置運算器17a，針對永久磁鐵形同步馬達7a之旋轉速度Nf利用速度誤差放大器25輸出與速度指令N之差ε(=N-Nf)，並利用速度控制器(ASR)11放大。經放大之信號Iq成為轉矩電流指令，並輸出至q軸電流誤差放大器27。另一方面，永久磁鐵形同步馬達7a之電流係由U相電流檢測器CTu 9與W相電流檢測器CTw 10檢測，並成為電流反饋Iuf、Iwf信號而輸出至控制邏輯電路29之3相/2相轉換器16。

於3相/2相轉換器16，輸入Iuf、Iwf信號，並自3相信號轉換為d、q軸正交地表示之2相信號。此時，自位置‧速度磁極位置運算器17a，以馬達7a之轉子之磁極位置信號θr為基準，轉換為d、q軸之2相信號。3相/2相轉換器16之一轉矩反饋電流Iqf係利用q軸電流誤差放大器27，獲得與轉矩電流指令信號Iq之差(Iq-Iqf)，並利用q軸電流控制器(ACR)13放大，輸出q軸之馬達電壓指令Vq。再者，於d軸電流指令Id為零之情形時，利用轉子之永久磁鐵之磁通進行控制。若對d軸電流指令Id流通某值之電流，則進行磁場減弱控制，或藉由改變電流相位而進行功率因素或效率之控制等。d軸電流指令Id係利用d軸電流誤差放大器26，輸出與d軸電流反饋Idf之差(Id-Idf)，並利用d軸電流控制器(ACR)12放大，而成為d軸馬達電壓指令Vd。

Vd、Vq信號係利用2相/3相轉換器14自d軸q軸正交之2相信號轉換為3相信號Vu、Vv、Vw。再者，此處，亦自位置‧速度磁極位置運算器17a以轉子之磁極位置信號θr為基準進行轉換。該3相信號Vu、Vv、Vw係利用PWM電路15以PWM(Pulse Width Modulation，脈寬調變)信號之形式作為逆變器4之開關元件5之閘信號而被賦予，從而控制永久磁鐵形同步馬達(SM)7a。

其次，對總損耗運算‧積算電路23進行說明。控制邏輯電路29內之速度控制器(ASR)11、d軸及q軸電流控制器(ACR)之12、13、2相/3相轉換器14、3相/2相轉換器16、位置‧速度磁極位置運算器17a及誤差放大器25~27係藉由CPU(Central Processing Unit，中央處理單元)或DSP(Digital Signal Processing，數位信號處理)與軟體之協動而實現。總損耗運算‧積算電路23內之各方塊圖亦同樣地藉由運算裝置與軟體之協動而實現。馬達電流反饋Iuf、Iwf信號係利用轉矩運算器18運算馬達之轉矩T。於d軸電流指令Id為零之情形時，馬達轉矩T與Iqf成比例。對d軸電流指令Id賦予電流之情形時之轉矩係藉由馬達常數及Idf、Iqf之運算而計算。19為輸出Pout運算器，自位置‧速度磁極位置運算器17a之輸出取得旋轉速度Nf，並自轉矩運算器18取得轉矩T，運算馬達輸出Pout=2πNf‧T/60而求出馬達輸出Pout。再者，以圖示出馬達輸出Pout者為圖8。圖8係對永久磁鐵形馬達之加減速運轉時之速度、轉矩、輸出進行說明的時序圖。由圖表示正轉時與倒轉時之加速、定速(均為動力運行運轉)及減速(再生運轉)，加減速時之轉矩係相加至因摩擦而產生之負載轉矩Tl，正轉時，加速轉矩於正方向相加，減速轉矩於負方向相加。倒轉時，因摩擦而產生之負載轉矩為負，加速轉矩於負方向相加，減速轉矩於正方向相加。輸出Pout成為旋轉速度Nf與轉矩T之帶有正負之極性之積，如圖8之輸出Pout(W)般表示。

圖9係針對旋轉速度-轉矩特性於四象限區域對輸出之符號之極性進行說明的圖。第一象限係旋轉速度為(+)，轉矩亦為(+)，相乘所得之輸出Pamax為(+)而為動力運行運轉。與第一象限相反地將旋轉速度、轉矩均設為(-)者為第三象限，相乘所得之輸出成為(-)彼此之積而為(+)，而成為動力運行運轉。於第一象限僅轉矩之極性相反地設為(-)所得者為第四象限，輸出為(-)而成為再生運轉。第二象限係將第三象限之轉矩相反地設為(+)所得者，輸出成為(-)而成為再生運轉。即，旋轉速度與轉矩之極性為同方向地運轉之情形為動力運行運轉，自電源獲得之電能作為動力被賦予至機械側。又，旋轉速度與轉矩之極性為反方向地運轉之情形為再生運轉，將機械側之動力能量於電源中再生。

返回至圖3A進行說明。20為電流運算器，利用下述(數式5)運算馬達之有效電流I。

(數式5)I={(Idf) ² +(Iqf) ² } ^1/2

運算所得之有效電流I係輸出至馬達輸入電力運算器21。自2相/3相轉換器14對馬達輸入電力運算器21輸入馬達相電壓(有效值)V。由於在2相/3相轉換器14運算3相相電壓Vu、Vv、Vw並輸出至PWM電路15，故而獲得其有效值V。

再者，於馬達輸入電力運算器21需要I．cos。利用圖10~12對馬達輸入相電壓、電流之功率因素cos進行說明。

圖10係對永久磁鐵形同步馬達1相份之等效電路進行說明的圖。永久磁鐵形同步馬達若進行旋轉則成為發電機，因此產生感應電壓E0。若將流向馬達之電流設為Iqf而流通電流，則於馬達繞組之電阻Ra產生Ra‧Iqf之電壓降，又，於電感La產生jω‧La‧Iqf之電抗位降。將此表示為向量圖者為圖11與圖12。圖11係永久磁鐵形同步馬達之動力運行時之向量圖，圖12係永久磁鐵形同步馬達之再生時之向量圖。馬達輸入之相電壓、電流之相位角示於圖11、圖12中，動力運行時成為0<<90°，cos成為正值。再生時之成為90°<<180°，cos成為負值。

此處，再次返回至圖3A進行說明。該相位角係以功率因素cos之形式利用馬達輸入電力運算器21進行運算。3相輸入電力Pin係以單相之V．I．cos之3倍求得，利用馬達輸入電力運算器21進行運算。利用輸出Pout運算器19、馬達輸入電力運算器21算出之Pout、Pin係利用相減電路28運算Pin-Pout，計算馬達之總損耗Ploss。總損耗Ploss被送至電子熱電路22而於每一電子熱運算週期即取樣ts將總損耗Ploss換算為加權值，每次取樣時對電子計數器於超過額定損耗之情形時進行加法運算，未達額定損耗時進行減法運算，於額定損耗時加上加權值零。馬達運轉中始終對總損耗反覆進行加法運算、減法運算，於達到某臨限值之情形時，判斷馬達為過載而將OL信號輸出至保護處理電路24，為了過載保護而使馬達停止。

圖3B係基於圖2之對附有永久磁鐵形編碼器(感測器)之AC伺服馬達驅動電力轉換系統之過載保護進行說明的圖。於圖3B中，檢測輸入電力Pin之點並非設為馬達之輸入端子部而設為馬達驅動裝置之逆變器4之輸入部，其點與順變器2a之輸出相同而為平流電容器3之兩端即設為中間電位之點。與圖3A不同之部分係檢測順變器2a之輸出電流Idc之直流側電流檢測器32、及如下部分，該部分係利用分壓電阻檢測平流電容器3之兩端電壓(P-N間電壓)，使其分壓電壓通過絕緣放大器33，對DC輸入電力運算器34輸入Idc與Vpn，獲取其信號之積，並導出輸出Pin。再者，直流側電流檢測器32係於順變器2a之負側(N側)進行檢測，但直流側電流檢測器32亦可於順變器2a之正側(P側)進行檢測。又，於平流電容器3與順變器2a之間進行檢測，但亦可於平流電容器3與逆變器4側之間(N側)進行檢測。進而，亦可於平流電容器3與逆變器4側之間(P側)進行檢測。於此情形時，朝電流之方向相同之方向使極性一致即可。其他部分與圖3A相同，因此僅對變更之部分進行說明。

於順變器2a與逆變器4之中間存在平流電容器3，利用P側分壓電阻器30與N側分壓電阻器31將其兩端電壓Vpn分壓，針對分壓點利用絕緣放大器33將主電路側與控制邏輯電路29側電性絕緣。絕緣放大器33之輸出係設為Vpn而送至DC輸入電力運算器34。另一方面，直流側電流檢測器32檢測主電路之Idc，自CT之二次側輸出絕緣之電流信號Idc，並送至輸入電力運算器34。於輸入電力運算器34進行Vpn‧Idc之乘法運算，針對輸入電力Pin利用相減電路28以Ploss=Pin-Pout之形式進行檢測。於此情形時，總損耗Ploss係於馬達之總損耗(銅損、鐵損、雜散負載損耗、機械損耗等)中包含逆變器4之損耗(開關元件5與飛輪二極體6之電力半導體元件之損耗)。

圖4A係基於圖1A之對附有感應形編碼器(感測器)之向量控制馬達驅動電力轉換系統之過載保護進行說明的圖。馬達7b為感應形向量控制馬達，編碼器8之輸出係輸出至位置‧速度運算器17b。再者，由於未對感應形向量控制馬達使用永久磁鐵，故而位置‧速度運算器17b不運算磁極位置檢測信號而運算位置、速度。於位置‧速度運算器17b，針對感應形向量控制馬達7b之旋轉速度Nf利用速度誤差放大器25輸出與速度指令N之差ε(=N-Nf)，並利用速度控制器(ASR)11放大。經放大之信號Iq成為轉矩電流指令，被輸出至q軸電流誤差放大器27並且被送至轉差頻率運算器36。

磁通運算器35係取得感應形向量控制馬達7b之旋轉速度Nf，在達到基底旋轉速度之前設為固定磁通電流，在基底旋轉速度以上時設為定輸出控制，因此以成為磁通減弱控制之方式輸出磁通電流Id。36為轉差頻率運算器，關於磁通電流Id，若為基底旋轉速度以下，則其輸出之轉差角頻率ωs係與轉矩電流成比例地輸出。再者，37係以角頻率轉換常數(2π/60)轉換為實際角速度頻率ωr，利用加法運算器38運算輸出角頻率ω1=ωr+ωs。角頻率ω1係送至2相/3相轉換器14及3相/2相轉換器16，以ω1為基準進行2相/3相轉換及3相/2相轉換。再者，關於其他部分，由於與圖3A相同，故而省略說明。關於總損耗運算‧積算電路23，由於圖4A中亦與圖3A相同，故而省略說明。

圖4B係基於圖2之對附有感應形編碼器(感測器)之向量控制馬達驅動電力轉換系統之過載保護進行說明的圖。馬達7b為感應形向量控制馬達，編碼器8之輸出係輸出至位置‧速度運算器17b。與圖4A不同之部分係檢測順變器2a之輸出電流Idc之直流側電流檢測器32、及如下部分，該部分係利用分壓電阻檢測平流電容器3之兩端電壓(P-N間電壓)，使其分壓電壓通過絕緣放大器33，對DC輸入電力運算器34輸入Idc與Vpn，獲取其信號之積，並導出輸入電力Pin。將與圖4A不同之部分示於以下。

圖5A係基於圖1A之對無永久磁鐵形感測器之無刷DC馬達(以下略記作DCBL馬達)驅動電力轉換系統之過載保護進行說明的圖。馬達7a為無永久磁鐵形感測器之DCBL馬達，且係構造上未使用編碼器之無感測器之永久磁鐵形同步馬達。與圖3A之附有永久磁鐵形編碼器(感測器)之AC伺服馬達之不同之處在於無編碼器(感測器)，因此，於圖5A中，位置‧速度磁極位置運算器17a成為位置‧速度推定運算器17c，自2相/3相轉換器14之輸出輸入相電壓指令Vu、Vw，又，自U 相、W相電流檢測器CTu、CTw9、10輸入電流反饋，根據相電壓指令對作為馬達常數之馬達繞組電阻Ra、電感La之電壓降、電抗位降進行向量運算，推定馬達之感應電壓，藉此推定速度。若利用位置‧速度推定運算器17c能夠推定出速度，則圖5A之動作可與圖3A同樣地操作，而可驅動無永久磁鐵形感測器之DCBL馬達7a。馬達之過載保護可藉由總損耗運算‧積算電路23之動作而進行保護。

圖5B係基於圖2之對無永久磁鐵形感測器之DCBL馬達驅動電力轉換系統之過載保護進行說明的圖。馬達7a係與圖5A同樣地為無永久磁鐵形感測器之DCBL馬達，且係構造上未使用編碼器之無感測器之永久磁鐵形同步馬達。於圖5B中，檢測輸入電力Pin之點並非設為馬達之輸入端子部而設為馬達驅動裝置之逆變器4之輸入部，其點與順變器2a之輸出相同。與圖5A不同之部分係於順變器2a與逆變器4之中間存在平流電容器3，利用P側分壓電阻器30與N側分壓電阻器31將其兩端電壓Vpn分壓，針對分壓點利用絕緣放大器33將主電路側與控制邏輯電路29側電性絕緣。

絕緣放大器33之輸出係設為Vpn而送至DC輸入電力運算器34。另一方面，直流側電流檢測器32檢測主電路之Idc，自CT之二次側輸出絕緣之電流信號Idc，並送至輸入電力運算器34。於輸入電力運算器34進行Vpn‧Idc之乘法運算，針對輸入電力Pin利用相減電路28以Ploss=Pin-Pout之形式進行檢測。於此情形時，總損耗Ploss係於馬達之總損耗(銅損、鐵損、雜散負載損耗、機械損耗等)中包含逆變器4之損耗(開關元件5與飛輪二極體6之電力半導體元件之損耗)。

圖6A係基於圖1A之對無感應形感測器之向量控制馬達驅動電力轉換系統之過載保護進行說明的圖。馬達7b為無感應形感測器之向量控制馬達，且係構造上未使用編碼器之無感測器之感應形馬達。與圖4A之附有感應形編碼器(感測器)之向量控制馬達之不同之處在於無編碼器(感測器)，因此，於圖4A中，位置‧速度運算器17b根據來自編碼器8之輸出進行位置‧速度運算。於圖6A中，利用位置‧速度推定運算器17c，自2相/3相轉換器14之輸出輸入相電壓指令Vu、Vw，又，自U相、W相電流檢測器CTu、CTw 9、10輸入電流反饋，根據相電壓指令對作為馬達常數之馬達繞組電阻Ra、電感La之電壓降、電抗位降進行向量運算，推定馬達之感應電壓，藉此推定速度。只要利用位置‧速度推定運算器17c能夠推定出速度，則圖6A之動作可與圖4A同樣地操作，而可驅動無感應形感測器之向量控制馬達7b。馬達之過載保護可藉由總損耗運算‧積算電路23之動作而進行保護。

圖6B係基於圖2之對無感應形感測器之向量控制馬達驅動電力轉換系統之過載保護進行說明的圖。馬達7b為無感應形感測器之向量控制馬達，且係構造上未使用編碼器之無感測器之感應形馬達。於圖6B中，檢測輸入電力Pin之點並非設為馬達之輸入端子部而設為馬達驅動裝置之逆變器4之輸入部，其點與順變器2a之輸出相同。與圖6A不同之部分係檢測順變器2a之輸出電流Idc之直流側電流檢測器32、及利用檢測平流電容器3之兩端電壓之Vpn檢測DC輸入電力運算器34之輸入電力Pin的部分。又，輸入電力Pin檢測部與圖3B相同，因此省略說明。馬達之過載保護可藉由總損耗運算‧積算電路23之動作而進行保護。於此情形時，總損耗Ploss係於馬達之總損耗(銅損、鐵損、雜散負載損耗、機械損耗等)中包含逆變器4之損耗(開關元件5與飛輪二極體6之電力半導體元件之損耗)。

圖7A係基於圖1A之對感應形VF反相器控制通用馬達驅動電力轉換系統之過載保護進行說明的圖。馬達7b為無感應形感測器之通用馬達，且係構造上未使用編碼器之無感測器之感應形之通用馬達。7b之感應形通用馬達之旋轉速度Nf係由下述(數式6)表示。

(數式6)Nf=(120‧f/2p)×(1-s/100)

f：頻率(Hz)，p：相對電極數，s：轉差(%)

其次，最近之反相器係如圖6A、圖6B中所說明般具有無感測器之向量控制功能，又，亦具備藉由VF固定控制而控制感應形通用馬達之功能，使用者能夠選擇無感測器之向量控制或VF固定控制。於VF反相器，改變對馬達賦予之頻率f而控制速度。此時，電壓V亦與頻率f成比例地自動改變，進行V/F固定控制。再者，馬達之旋轉速度Nf相對於所賦予之頻率f，以相當於轉差s之程度延遲而進行旋轉。利用圖7A對VF反相器之基本動作進行說明。將頻率指令frev輸入至電壓/頻率控制器39，電壓/頻率控制器39依據頻率指令frev輸出f，此時同時與頻率f成比例地輸出電壓V。該電壓V、頻率f被送至40之3相分配器，將隨頻率變化之相電壓Vu、Vv、Vw輸入至PWM電路15。PWM電路15係對逆變器4之開關元件5賦予閘信號，驅動感應形通用馬達7b。以上為VF反相器之基本動作。

其次，對過載保護動作進行說明。感應形通用馬達7b之電流係利用9、10之U相、W相電流檢測器CTu、CTw檢測Iuf、Iwf。該Iuf、Iwf係利用有效值換算器41以Ivf=-(Iuf+Iwf)計算v相電流Ivf，對Iuf、Ivf、Iwf進行3相全波整流或同步整流，調整振幅範圍而設為有效電流I，於42利用電流轉矩換算器換算為理想值轉矩T(ideal)。該理想值轉矩T(ideal)係於兼作向量控制反相器之VF反相器之情形時，馬達常數已知，根據電流與轉矩之換算值，獲得無感測器之向量控制時之轉矩T(ideal)。T(ideal)被送至43之V/F對向量最大轉矩比運算係數部。V/F對向量最大轉矩比運算係數部43一般地由反相器製造商於銷售資料中公開而對每種機型寫明。

圖13係對VF控制反相器之最大轉矩進行說明的圖，關於其一例針對輸出頻率(Hz)對輸出轉矩(%)特性而明示無感測器之向量控制之最大轉矩T(vec)max與V/F控制之最大轉矩T(V/F)max。於V/F對向量最大轉矩比運算係數部43，對所輸入之轉矩T(ideal)乘上T(V/F)max/T(vec)max之最大轉矩比運算係數，輸出VF反相器控制時之馬達轉矩T。另一方面，於電壓/頻率控制器39輸出反相器輸出頻率F，於46之同步旋轉速度換算係數部對所輸入之頻率F乘上係數(120/2p)，獲得同步旋轉速度Ns。此處，若忽視轉差s則馬達旋轉速度Nf≒Ns，將Ns視為馬達旋轉速度Nf，於輸出Pout運算器19藉由2πNf‧T/60之運算處理獲得輸出Pout。又，關於輸入電力Pin，若於44之乘法器，自3相分配器40輸入U相電壓Vu，自U相電流檢測器CTu 9輸入U相電流Iuf，利用乘法器44運算兩信號之積，並利用45進行2f去除濾波處理，則其輸出獲得單相輸入電力。若利用47之3相倍率係數使該單相輸入電力增加至3倍(×3)則獲得輸入電力Pin，利用相減電路28根據Pin-Pout獲得感應形VF反相器驅動通用馬達7b之總損耗。總損耗Ploss係送至電子熱電路22而於每一電子熱運算週期即取樣ts將總損耗Ploss換算為加權值，每當取樣時對電子計數器於超過額定損耗之情形時進行加法運算，未達額定損耗時進行減法運算，於額定損耗時加上加權值零。馬達運轉中始終對總損耗反覆進行加法運算、減法運算，於達到某臨限值之情形時，判斷馬達為過載而將OL信號輸出至保護處理電路24，為了過載保護而使馬達停止。據上，馬達之過載保護可藉由總損耗運算‧積算電路23之動作而進行保護。

圖7B係基於圖2之對感應形VF反相器控制通用馬達驅動電力轉換系統之過載保護進行說明的圖。馬達7b為無感應形感測器之通用馬達，且係構造上未使用編碼器之無感測器之感應形之通用馬達。於圖7B中，檢測輸入電力Pin之點並非設為馬達之輸入端子部而設為馬達驅動裝置之逆變器4之輸入部，其點與順變器2a之輸出相同。與圖7A不同之部分係檢測順變器2a之輸出電流Idc之直流側電流檢測器32、及利用檢測平流電容器3之兩端電壓之Vpn檢測DC輸入電力運算器34 輸入電力Pin的部分。又，輸入電力Pin檢測部與圖3B相同，因此省略說明。馬達之過載保護可藉由總損耗運算‧積算電路23之動作而進行保護。於此情形時，總損耗Ploss係於馬達之總損耗(銅損、鐵損、雜散負載損耗、機械損耗等)中包含逆變器4之損耗(開關元件5與飛輪二極體6之電力半導體元件之損耗)。

據上，利用圖3A~圖7B示出如下情況，即，於永久磁鐵形(附有感測器)AC伺服馬達、永久磁鐵形(無感測器)DCBL馬達、感應形(附有感測器或無感測器)向量控制馬達、基於VF反相器驅動之通用馬達，不進行基於馬達之電流檢測之過載保護，而進行基於總損耗檢測之過載保護。

其次，利用圖8對在馬達減速中之再生運轉中與動力運行時同樣地以(數式4)檢測總損耗的情況進行說明。容易理解總損耗檢測於固定速度之恆定運轉時、及馬達加速中可進行總損耗檢測。但是，於圖8之i)旋轉速度Nf，減速時自旋轉速度Nf斷開電源而於比自然停止之時間早之時間停止的情形時，馬達轉矩T如ii)之轉矩Td般變為負而成為再生狀態。此時，考慮馬達之輸出Pout與輸入Pin變為如iii)般而Pin與Pout兩者均變為負之情形。

再者，圖1A中以粗箭頭表示動力運行狀態之輸入Pin、輸出Pout、總損耗Ploss，輸入Pin最粗，輸出Pout較細，箭頭變細之部分表示成為總損耗Ploss之大小。

圖1B係對再生時之輸入、輸出、總損耗之關係進行說明的圖。於圖1B中，輸入Pin、輸出Pout兩者均為負，因此方向與圖1A相反。又，圖8之iii)之減速時之輸入Pin與輸出Pout之大小即絕對值係輸出Pout較大。此表示電力(W)自機械側通過馬達返回至馬達驅動電力轉換裝置48。此時，(數式4)式為Ploss=Pin-Pout，若藉由標註符號而針對數值之大小以絕對值於()內寫上大、小，則Pin-Pout成為(數式 7)，總損耗Ploss成為正值，於動力運行狀態及再生狀態下均能夠以損耗進行處理。因此，即便不改變(數式4)，亦可直接算出。

(數式7)Ploss=[Pin]-[Pout]=-(小)-{-(大)}≧0

即，即便運轉模式改變，亦可始終即時地檢測總損耗。關於此，若針對如銅損、鐵損或雜散負載損耗等般於馬達內產生之現象而於馬達驅動電力轉換裝置內構成模擬函數，並將其模擬函數用於馬達控制，同時地亦對保護電路執行，則於某馬達常數有誤之情形時，有時會未發現該情況而馬達溫度上升，但馬達驅動電力轉換裝置之模擬電路仍正常運轉而未進行保護。一般地，控制電路與保護電路本來獨立，保護電路側承擔監視之任務。於本案中，總損耗之檢測方法設為完全獨立於控制之構成。

圖14係於動力運行時之馬達之速度-轉矩特性方面對輸入、損耗、輸出電力進行說明的圖。圖中，橫軸為旋轉速度Nf，縱軸為轉矩T，以點A-點B-點C-點D表示馬達之最大轉矩。又，以黑點表示設為馬達之額定轉矩T0、額定旋轉速度Nf0之額定點。其次，將額定輸出設為Pout(0)，通過額定點之黑點之轉矩T曲線係若對Pout=2π‧Nf‧T/60進行變形則成為下述(數式8)。

(數式8)T=9.55×(Pout(0)/Nf)

此處，Pout(0)：額定輸出(W)

該(數式8)係轉矩T與旋轉速度Nf成為反比例曲線，將Pout=Pout(0)固定曲線示於圖14。又，於圖14右側寫明各損耗，於輸出Pout曲線上表示機械損耗、鐵損、雜散負載損耗、銅損，銅損上之線表示輸入電力Pin。銅損於低速高轉矩區域因電流增加而於總損耗中所占之比率占主導地位，鐵損根據(數式1)(數式2)不受電流影響而於高速區域於總損耗中所占之比率急遽增加，支配高速區域。

圖15係於再生時之馬達旋轉速度-轉矩特性方面對輸入、損耗、輸出電力進行說明的圖。本圖中，橫軸為旋轉速度Nf且軸以正刻度記載，縱軸為轉矩T且軸以負刻度記載。若利用圖9之一~四象限圖表表示該圖則成為4象限之再生狀態之圖，圖15係上下相反，因此與圖14同樣地記載。再生運轉係自機械側使馬達軸旋轉，輸出電力Pout變得最大，為了使該能量返回至輸入電源，而於馬達或馬達驅動電力轉換裝置產生損耗，因此輸入電力Pin變小。

圖15未區分記載各損耗，但夾於輸入電力Pin與輸出Pout之間之部分成為總損耗Ploss。關於總損耗，於低速區域之高轉矩域銅損占主導地位，於高速區域之最大轉矩降低之區域鐵損占主導地位。再者，即便於再生狀態下，若以(數式4)標註符號而運算總損耗，則總損耗亦可始終作為正量算出。

圖16係用以對本實施形態之過載保護特性曲線進行說明之圖。係表示總損耗Ploss(%)與電子熱動作時間t(s)之關係之圖，係使將漸近線設為總損耗Ploss=100(%)且Kc為固定係數、電子熱動作時間t=Kc/Ploss之反比例曲線朝右側平行移動所得的圖。再者，所謂總損耗Ploss=100(%)，係指以額定轉矩T0、額定旋轉速度Nf0運轉時之總損耗Ploss(0)，以下，將Ploss(0)稱為額定損耗，表示Ploss=100(%)。將電子熱動作時間t(s)示於下述(數式9)。

(數式9)t=Kc/(Ploss-Ploss(0))

再者，(數式9)中存在2條漸近線，係上述漸近線Ploss=100(%)與x軸之總損耗軸。由兩條正交之漸近線夾著之曲線係第一象限曲線與第三象限曲線。第一象限曲線表示短時間過載運轉能夠運轉幾秒鐘。其次，第三象限表示總損耗未達100(%)之電子熱動作。馬達於連續額定之情形時，於額定點可連續運轉，因此，係以馬達之繞組溫度未達由耐熱等級決定之最高容許溫度附近之方式製作。因此，若為未達100%之輕負載，則相對於由馬達散熱面積決定之散熱量，發熱量減少而散熱量較多，因此馬達之繞組溫度降低。電子熱特性之動作係於第一象限曲線總損耗超過100(%)時，電子熱積算計數器於每一取樣時間連續相加，而接近馬達保護之上限值。若於該狀態下總損耗未達100%，則於每一取樣時間將以第三象限曲線積算之計數器推移至減法運算。即，第一象限曲線為電子熱積算計數器之加法運算特性，第三象限曲線為表示減法運算特性之曲線。

圖17係對總損耗最大施加時之傾斜度進行說明之圖。作為一例，對圖16中最大總損耗Ploss=400%時電子熱動作時間為t(trip)秒之情形進行說明。圖17之1)係總損耗Ploss=400(%)之最大損耗持續產生於馬達之圖。表示此時之電子熱積算計數器值者為2)。電子熱積算計數器值之最大值Kf係考慮量化之解析度而設為6,000,000(digit)，當計數器值達到該值時，為了保護而使馬達停止。於上述之一例中，以t(trip)秒使計數器跳脫。

馬達之使用環境中之使用溫度之上限一般為40℃。又，馬達根據耐熱等級按規格決定最高容許溫度，且如下所示。

馬達之溫度上升限度△Tmax設為(耐熱等級之最高容許溫度)-(馬達使用溫度之上限值40℃)-Ts，Ts係於以電阻法測定繞組溫度之情形時，將繞組絕緣之絕緣物使容許最高溫度之最高點對稱，於利用電阻法測定溫度上升之情形時，測定平均溫度上升值，考慮其差為5~15℃。

此處，於耐熱等級130(B)之例中，若設為馬達之溫度上升限度 △Tmax=80(K)，則圖17之2)之積算計數器值之max係溫度上升值80(K)與6,000,000(digit)對應，溫度上升值0(K)之起點相當於馬達使用溫度之上限值40℃。為了於總損耗Ploss=400(%)、電子熱動作時間為t(trip)秒時使其跳脫，於圖17之2)描繪斜率a之直線y=ax。△t為運算電子熱之取樣時間，△y為於1次取樣時間(s)內進行加減運算之加權值。將電子熱積算計數器值之max值設為Kf。此處，根據(數式8)與直線y=ax=Kf求出1次取樣時間(s)內進行加減運算之加權值△y。若設為傾斜度a=(△y/△t)，並將上述(數式9)代入至t，則成為下述(數式10)，其中，△y由(數式11)表示。

(數式10)y=(△y/△t)×Kc/(Ploss-Ploss(0))=Kf

(數式11)△y=(Kf×△t/Kc)×(Ploss-Ploss(0))

此處，△y：1次取樣時間內進行加減運算之加權值(digit)

△t：電子熱之取樣時間(s)

Kf：電子熱積算計數器值之max值(digit)

Ploss：總損耗

Ploss(0)：額定損耗(Ploss=100%)

該(數式11)式之(Kf×△t/Kc)成為固定值，為比例常數。若將其示於圖中，則成為圖18，由總損耗100%以上時為加法運算且100%以下時為減法運算的簡單之一次函數表示。

圖19係對與圖16不同之本實施形態之過載保護特性曲線進行說明的圖。與圖16不同之處在於：曲線為一個，漸近線設為x軸之總損耗軸與y軸之電子熱動作時間軸。因若總損耗即便少量產生馬達繞組之溫度亦會上升，從而上述不同之處係為了忠實地模擬馬達繞組溫度，而並非當超過額定輸出時之總損耗100%時電子總損耗時間積算計數器開始進行加法運算。電子熱動作時間t與上述(數式9)不同而成為t=Kc/Ploss，總損耗與電子熱動作時間成反比例。

圖20係對馬達之耐熱等級及過載施加時，繞組溫度自馬達使用溫度範圍之上限值上升至耐熱限度值之動作進行說明的圖。此處，若將圖17中所說明之內容適用於圖20，則馬達之使用環境下之使用溫度之上限一般為40℃。又，馬達根據耐熱等級按規格決定最高容許溫度，且如下所示。馬達之溫度上升限度△Tmax設為(耐熱等級之最高容許溫度)-(馬達使用溫度之上限值40℃)-Ts(基於電阻法之平均溫度與最高溫度之溫度差)而設為下述。

圖20之時間t=0係作為馬達之使用環境下之使用溫度之上限值而自40℃起動，當根據馬達之各耐熱等級達到溫度上升容許值△Tmax時，判定為過載而使馬達停止來進行保護。若適用於電子總損耗時間積算計數器動作，則於控制電源接通時將積算計數器預設為40℃而起動。溫度上升容許值△Tmax相當於判定為過載之臨限值，為積算計數器達到6,000,000(digit)時。

圖21係以硬性概念記載使用圖19之過載保護特性曲線之電子總損耗時間積算計數器的圖。56為總損耗/脈衝頻率轉換器，轉換為與所輸入之總損耗Ploss量成比例之脈衝頻率並輸出。若所輸入之總損耗量增加2成則脈衝頻率數增加2成。總損耗/脈衝頻率轉換器56之輸出之一個係輸入至59之UP(加法運算)輸入禁止電路。於UP(加法運算)輸入禁止電路59不處於禁止狀態之情形時，將來自總損耗/脈衝頻率轉換器56之脈衝頻率輸入至60之總損耗時間積算遞增/遞減計數器，模擬馬達之繞組溫度之計數器值即便為固定之總損耗量之輸入，只要儲存量增多則繞組溫度上升，因而計數器值亦連續相加。

該狀態持續，總損耗時間積算遞增/遞減計數器進一步上升，總損耗時間積算遞增/遞減計數器60之值成為65之馬達繞組過載設定溫度時對兩者進行比較之比較器66之輸出一致，而輸出“L”位準。該信號返回至UP(加法運算)輸入禁止電路59，禁止接收自總損耗/脈衝頻率轉換器56輸入之脈衝頻率。

再者，若對兩者進行比較之比較器66之輸出一致而輸出“L”位準，則通過67之反相器閘極，作為OL信號而輸入至保護處理電路24，判定馬達過載，使馬達之運轉停止而保護馬達。

又，總損耗/脈衝頻率轉換器56之另一輸出係通過57之停滯時間要素電路且以固定時間進行延遲動作之停滯時間要素電路，輸入至58之DN(減法運算)輸入禁止電路。於DN(減法運算)輸入禁止電路58不處於禁止狀態之情形時，將來自停滯時間要素電路57之脈衝頻率輸入至總損耗時間積算遞增/遞減計數器60並進行減法運算。關於該減法運算，馬達繞組中所儲存之熱量通過絕緣材料自鐵等之安裝面通過固體藉由傳導而散熱，或者自馬達外周之冷卻肋以自然對流或基於強制空冷之對流散熱至大氣中。由於進行傳導、對流，故而存在熱傳遞至安裝接觸面或馬達表面為止之延遲時間，因此構成停滯時間要素電路57。

再者，馬達於以額定轉矩、額定旋轉速度連續額定之情形時可連續運轉，於馬達繞組蓄熱而溫度上升，但於基於延遲時間之停滯時間後蓄熱、散熱逐漸達到平衡狀態。若為此時之總損耗、額定損耗，則不會成為過載。但是，若成為額定損耗以上之損耗，則蓄熱量高於散熱而繞組溫度繼續上升。對於總損耗/脈衝頻率轉換器56，僅減法運算側將總損耗=100%時加上最大傾斜率時的傾斜率作為最大之減法運算傾斜率，僅減法運算時對最大之減法運算傾斜率加以限制。因此，若施加額定損耗以上之損耗，則溫度繼續上升，成為判定為過載之溫度而使馬達之運轉停止並進行保護。

再者，對於總損耗時間積算遞增/遞減計數器60，於控制電源接通時或運轉開始時，設定63之馬達繞組溫度預設資料後，總損耗時間積算遞增/遞減計數器60起動。61為40℃馬達繞組溫度(電源接通時預設)電路，將控制電源接通時馬達使用溫度範圍之上限溫度即40℃之溫度傳送至62之運轉開始時馬達繞組溫度，並寫入至63之馬達繞組溫度預設資料。又，若於馬達運轉開始前，自上位裝置等外部通過通信纜線，實際測量馬達之繞組溫度，並通過馬達驅動電力轉換裝置48內之64之串列介面覆蓋運轉開始時馬達繞組溫度62，則總損耗時間積算遞增/遞減計數器60可自實際測量之繞組溫度起動。

圖22係對馬達繞組溫度之動作進行說明之圖。又，圖22係以時序圖表示圖21之動作之圖。橫軸設為時間t且縱軸設為馬達之繞組溫度T而表示電子總損耗時間積算計數器之動作。自原點以向右上升之方式上升且表示為額定總損耗的直線係額定運轉時圖21之電子總損耗時間積算計數器之遞增側之加法運算計數器之馬達繞組之蓄熱動作。散熱動作係藉由傳導、對流而散熱，經過熱傳遞至安裝接觸面或馬達表面為止之延遲時間“L”後，使加法運算時輸入至總損耗時間積算計數器之函數極性反轉，將總損耗=100%時加上減法運算之最大傾斜率時的傾斜率作為最大之減法運算傾斜率，經過時間“L”後，以向右下降之方式下降。由該向右上升之表示額定總損耗之直線、及加上散熱特性之直線記載，且將兩直線相加所得者以粗體字虛線表示，以向右上升之方式上升且於時間“L”之後水平推移。

再者，示出判定為過載之馬達繞組過載設定溫度，若越過該線則判定為過載而成為保護動作。再者，自原點以最大總損耗急遽上升之直線係未等到停滯時間“L”便達到馬達繞組過載設定溫度而於×標記之點成為過載保護停止動作。

圖23係說明對馬達驅動電力轉換裝置預設馬達繞組溫度後之運轉的圖。1a為馬達，48為馬達驅動電力轉換裝置，於馬達1a與馬達驅動電力轉換裝置48之間存在馬達繞組電阻測定時之切斷開關55。馬達繞組電阻測定時之切斷開關55係於運轉開始前測定馬達1a之繞組溫度時，打開該開關55，將馬達1a與馬達驅動電力轉換裝置48切斷，利用53之馬達之繞組電阻測定器進行測定。

54-1、54-2、54-3為選擇馬達1a之測定端子之端子區塊，54-1為馬達繞組U-V端子間測定區塊，54-2為馬達繞組V-W端子間測定區塊，54-3為馬達繞組W-U端子間測定區塊，根據測定馬達1a之哪一端子間利用54-0之馬達繞組之測定相之切換連接片選擇區塊而利用電阻法進行測定。電阻法係利用繞組之溫度係數已知，根據運轉開始前與運轉開始後之繞組電阻值計算溫度上升的方法。再者，關於運轉開始前之繞組電阻值，只要事先記錄基於周圍溫度之繞組電阻值即可。

利用馬達之繞組電阻測定器53測定並計算繞組溫度而求得之溫度上升值輸入至52之上位控制裝置。使馬達運轉時，將54-0之馬達繞組之測定相之切換連接片全部卸除，關閉馬達繞組電阻測定時之切斷開關55，然後對馬達驅動電力轉換裝置48接通控制電路電源51，馬達驅動電力轉換裝置48預設40℃馬達繞組溫度。然後，接通主電路電源50。上位裝置52藉由通信將馬達溫度預設資料傳送至馬達驅動電力轉換裝置48並覆寫40℃馬達繞組溫度資料，開始總損耗時間積算計數器之動作。

圖24係對與圖21不同之本實施形態之圖3A~圖7B之電子熱電路22進行說明的圖。電子熱電路22係以與圖19不同之馬達之熱模型求出馬達之一次繞組溫度上升值。針對圖之左側之輸入電力Pin之“+”與輸出電力Pout之“-”利用相減電路28獲得差，將總損耗Ploss以指令之形式輸出。總損耗Ploss係於求和點68與反饋獲得差，其偏差Hε被送至包含積分要素之馬達框架發熱部之傳輸函數70。其次，概括地對與馬達之溫度相關之數式進行說明。

馬達之總熱量Q(J)係對總損耗Ploss進行時間積分而由(數式12)表示。

(數式12)Q=ʃPloss dt(J)

此處，Q：馬達之總熱量(J)

Ploss：馬達之總損耗(W)

馬達之總熱量Q係於感應馬達之情形時，若分為馬達之一次側(定子)繞組與二次側(轉子)之銅排則成為(數式13)。再者，於馬達之轉子為永久磁鐵之PM馬達中不產生二次側銅損。

(數式13)Q1=k1×Q(J)

此處，k1：一次側之熱量相對於總熱量Q之比率(=Q1/Q)

又，若將馬達之一次側之熱量設為Q1(J)，將馬達一次繞組之質量設為m1(kg)，將馬達一次繞組之比熱設為c1(J/kg‧K)，則馬達之一次繞組之溫度上升Tc1(K)成為如(數式14)般。

(數式14)Tc1=Q1/(m1‧c1)(K)=k1‧Q/(m1‧c1)(K)

此處，Tc1：馬達之一次繞組之溫度上升(K)

Q1：馬達之一次側之熱量(J)

m1：馬達一次繞組之質量(kg)

c1：馬達一次繞組(銅線)之比熱(J/kg‧K)

自馬達之繞組(包含芯體等)內部產生之總熱量Q係以(數式15)儲存於馬達框架。再者，馬達之比熱c₀由於實際上由各種零件構成，材質亦多種多樣，故而作為複合之比熱，規定溫度之測定部位藉由實際測量而求出。

(數式15)Tc ₀ =Q/(m ₀ ‧c ₀ )(K)

此處，Tc ₀ ：馬達框架之溫度上升(K)

Q：馬達之熱量(J)

m ₀ ：馬達之質量(kg)

c ₀ ：馬達之比熱(J/kg‧K)

另一方面，自馬達釋放之熱量通過馬達之安裝冶具等金屬固體而傳導，或自馬達表面之冷卻肋向大氣中形成自然或強制對流，或者進行輻射。

對於自馬達表面之冷卻肋(個體)與大氣(流體)之間之基於對流之熱傳遞，存在自由對流與強制對流，於任一情形時，熱傳遞均成為如(數式16)般。

(數式16)Qf=α(Tco-Ta)A

此處，Qf：單位時間之散熱(傳熱)量、W,〔kcal/h〕

α：熱傳遞係數W/m ² K,〔kcal/m ² hK〕

Tco：傳熱面之溫度K,〔℃〕

Ta：大氣(流體)之溫度K,〔℃〕

A：固體之表面積(傳熱面積)m ² ,〔m ² 〕

利用包含積分要素之馬達框架發熱部之傳輸函數70，根據(數式12)對總損耗Ploss以積分要素1/s進行積分而設為馬達之總熱量Q(J)，繼而，根據(數式15)除以(馬達質量m₀)×(馬達比熱C₀)而輸出馬達框架溫度上升值Tc0。該馬達框架溫度上升值Tc0係於求和點69運算與周圍溫度Ta之差(Tc0-Ta)，對其差以馬達框架散熱部之傳輸函數71進行(數式16)之運算，輸出單位時間之散熱量Qf'。再者，單位時間之散熱量Qf'係每一散熱路線之散熱量例如來自馬達之安裝支架之散熱、來自馬達框架周圍之冷卻肋之散熱不明，且亦難以計測。

又，將馬達之熱模型設為負反饋迴路之原因在於：若使馬達以某負載率運轉，則馬達之溫度上升必定成為某固定之溫度上升值，穩定為熱平衡狀態。所謂熱平衡狀態，係指總損耗Ploss與反饋量即單位時間之散熱量Qf'於恆定狀態下成為固定之相等之值。因此，馬達之熱模型設為負反饋迴路，構成基於電氣與熱力學之融合之熱模型。

其次，求和點68之輸出即偏差Hε係自負反饋迴路分支，利用傳輸函數72乘以一次側之損耗相對於馬達之總損耗Ploss之比率k1之後，利用傳輸函數73以積分要素1/s進行積分，設為馬達之一次繞組之熱量Q1(J)，並進行(數式14)之運算即除以(馬達之一次繞組之質量m1)×(一次繞組(銅線)之比熱c1)，藉此輸出馬達之一次繞組之溫度上升值Tc1。此處，馬達框架由於質量亦較大，故而難以變熱且難以冷卻。因此，即便總損耗Ploss略微產生變動，馬達框架整體之溫度上升值亦成為於短時間內不產生較大之變動之穩定之值。

於本例中，設為如下構成：於利用該特性而穩定之馬達框架構成負反饋迴路，偏差即總損耗Ploss-單位時間之散熱量Qf'之值係掌握為於熱平衡狀態下不發散之損耗，自此分支而使熱時常數充分小於馬達框架，求出因總損耗Ploss之略微之變動而產生較大之變動之馬達之一次繞組溫度上升值。而且，進行過載保護之一次繞組之溫度上升值係掌握一次繞組之損耗k1×Ploss之變動，監視瞬時之溫度上升值之峰值，並送至76之過載保護判定電路。

於過載保護判定電路76，輸入馬達之周圍溫度Ta，初始值設定為馬達之使用溫度之上限值40℃。設為如下構成：於不檢測馬達之周圍溫度之情形時，不管實際之馬達之周圍溫度，於控制上均控制為40℃，與判定為過載之臨限值進行比較，即便為瞬時過載亦能夠進行保護。再者，關於傳輸函數72之k1，於馬達之轉子為永久磁鐵之PM馬達中不存在二次側銅損而可設為k1=1。

再者，圖24之傳輸函數70、73中存在積分要素1/s。該70與71之積分要素1/s中之一個自求和點68移動至指令側之總損耗，另一個移動至反饋側而可進行等價轉換。指令側對總損耗進行積分而成為總熱量Q(J)，反饋側對單位時間之散熱量Qf'進行積分而成為總散熱量Qf(J)。於此情形時，馬達框架溫度上升值Tc0、馬達之一次繞組之溫度上升值Tc1仍為圖24未產生變化。

圖25係利用溫度感測器檢測馬達之周圍溫度而進行馬達之過載保護的說明圖。1a為馬達，48為馬達驅動電力轉換裝置。馬達之周圍溫度係利用周圍溫度計測熱敏電阻74之溫度感測器進行檢測，通過感測器纜線75自馬達驅動電力轉換裝置48之類比輸入端子取得。使馬達運轉時，對馬達驅動電力轉換裝置48接通控制電路電源51，馬達驅動電力轉換裝置48預設40℃之馬達周圍溫度。然後，接通主電路電源50，根據來自上位控制裝置52之運轉指令開始運轉。

於不檢測馬達之周圍溫度Ta之情形時，馬達驅動電力轉換裝置48將馬達之周圍溫度Ta之初始值設為馬達之使用溫度範圍之上限值40℃，因此，作為臨限值之馬達之一次繞組之容許溫度上升值成為(溫度上升容許值)+(馬達使用溫度範圍之上限值)。於檢測馬達之周圍溫度Ta之情形時，始終知曉利用過載保護判定電路76檢測出之馬達之周圍溫度，因此，新的容許溫度上升容許值成為(溫度上升容許值)+{(馬達使用溫度範圍之上限值)-(檢測出之馬達之周圍溫度)}，於檢測出之馬達之周圍溫度為較馬達之使用溫度範圍之上限值低之周圍溫度之情形時，可使馬達之一次繞組溫度之上限值僅增大其差值。反之，於馬達之周圍溫度較馬達之使用溫度範圍之上限值高之情形時，先前有馬達燒毀之虞，但由於臨限值降低，故而馬達不會燒毀。因此，可實現更正確之過載保護，使用者可將過載保護設為按照其性能之規格而進行使用。

如此，根據本實施形態，無須構成基於數1、數2式之鐵板之厚度t、頻率f、最大磁通密度Bm、磁體之電阻率ρ、比例常數Kh、Ke之複雜之控制方塊圖而求出鐵損、機械損耗等因馬達電流而產生之損耗。

又，難以定量地預測之雜散負載損耗之量於在總損耗中所占之比率較大之情形時必須考慮，但根據本實施形態，即便各損耗不明，亦有可正確地獲得總損耗之效果。

以上，對應用本發明之一實施形態進行了說明，但本發明並不限定於上述構成，可在不脫離其主旨之範圍內進行各種變更。例如，可適當利用硬體或軟體控制各功能部之功能之一部分或全部。