电力变换装置、电动机驱动装置及空气调节的制造方法
【专利摘要】提供减少PWM控制时的开关损耗的高效率的电力变换装置、电动机驱动装置以及空气调节机。矢量控制部(8)将基于来自相电流检测部(6)的相电流信息(6A)而算出的电流的相位信息(8A)输出给脉冲停止控制部(9)。脉冲停止控制部(9)将基于电流的相位信息(8A)而生成的相脉冲停止控制信号(9A)输出给脉冲宽度判定部(12)。脉冲宽度判定部(12)将脉冲宽度不会成为一定的值以下的脉冲起动/停止指令(12A)输出给脉冲控制部(7)。由此，脉冲控制部(7)以电力变换电路(4)的规定的相的电流相位的零交叉为基准来停止规定区间的脉冲信号(7A)。
【专利说明】电力变换装置、电动机驱动装置及空气调节机
【技术领域】
[0001]本发明涉及使用了 PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)控制方式的电力变换装置的控制技术。
【背景技术】
[0002]在空气调节机等中使用的电动机驱动装置强烈要求基于零件件数削减的小型化和高效率、高输出化，开发了用于实现这些要求的各种技术。作为在这样的电动机驱动装置中使用的电力变换装置、以及高效率驱动成为其负载的电动机的手法，例如公开了如下所示的技术。即，公开了 180度/120度通电切换方式的技术，将从电力变换装置流向电动机的电流PWM控制为:正弦波状的180度通电方式、和以感应电压的相位为基准，每120度进行PWM控制来进行开关动作的120度通电方式。记载了通过使用该方式，能对应于电动机的负载条件和驱动条件来进行高效率的驱动，并能在宽范围的旋转速度下，使电动机的驱动稳定化(参考专利文献I)。
[0003]另外，作为进行PWM控制的电力变换装置的120度通电时减少电动机的损耗的手法，公开了 120度/150度通电切换方式的技术，用转矩指令将120度通电时的通电角扩展为150度通电，来使在电动机流过的电流接近正弦波，从而减少转矩的脉动。记载了通过使用该方式，在电动机的起动时，以及从重负载直至轻负载为止，能以噪声和振动少的旋转力，高性能地进行电动机的驱动(参考专利文献2)。
[0004]另外，还公开了 2相调制方式的技术，在使用进行PWM控制的三相的电力变换装置来运转电动机时对电力变换装置进行矢量控制的情况下，仅在电流值接近零的相不进行开关地进行2臂调制(2相调制)。根据该技术，在无位置传感器地进行矢量控制的情况下，通过在每隔一定的电气度的定时进行2相调制，能避免电动机的定子电流零钳位的零钳位现象。其结果，能在全负载范围的矢量控制中提升控制系统的稳定性(参考专利文献3)。
[0005]先行技术文献
[0006]专利文献
[0007]专利文献I JP特开2008 - 172948号公报
[0008]专利文献2 JP特开2003 — 169491号公报
[0009]专利文献3 JP特开平11 — 164597号公报
[0010]发明的概要
[0011]发明要解决的课题
[0012]所述的专利文献I以及专利文献2记载的120度通电方式以及150度通电方式由于与180度通电方式相比缩窄了 I周期的开关动作区域，因此能减少电力变换装置的开关损耗。但是，为了不使用磁铁位置传感器地检测电动机的磁铁位置(即，位置检测)，而需要设置感应电压检测电路来在开关动作的停止期间取得感应电压的相位信息，基于这些相位信息来切换进行开关动作的相。
[0013]换言之，无磁铁位置传感器方式的120度通电方式以及150度通电方式必须在电动机的感应电压的零交叉点附近设置停止开关动作的期间。因而，难以将开关动作期间扩展到电气度150度以上。另外，开关动作的停止期间必须与感应电压相位同步进行。然而，由于因负载条件和驱动条件不同而会在感应电压相位和电动机的电流相位发生偏离，因此即使使用150度通电方式也不一定能得到转矩脉动的减少效果。进而，若要防止上述感应电压的相位和电动机的电流相位的偏离，则150度通电的动作自身就会变得不可能。
[0014]S卩，由于120度通电方式或150度通电方式以感应电压的相位为基准来决定通电区间和开路相区间(使逆变器的同相的上下臂的开关元件两者都停止的区间)，因此为了在无磁铁位置传感器方式下取得位置信号，需要使开路相区间包括感应电压的零交叉点。然而，由于因负载条件和驱动条件不同而会在感应电压的相位和电动机的电流相位中发生偏离，因此也有开路相区间中未包括感应电压的零交叉点的情况。其结果，在无磁铁位置传感器而基于感应电压的相位来进行矢量控制的情况下有时不能正确进行位置检测。换言之，即使能通过规定区间的开关动作的停止来减少开关损耗也不能进行基于正确的位置检测的矢量控制。
[0015]如此，在专利文献I以及专利文献2的方式中，通过在120度通电方式以及150度通电方式的驱动时设置使开关停止的区间，能减少电力变换电路的开关次数。但是，由于使用感应电压检测电路等取得感应电压的相位信息，基于该感应电压的相位信息来切换进行开关的相，因此在电压和电流的相位不同的情况下不能进行正确的位置检测。其结果，有电流失真变大而电动机的转矩脉动增加之可能性。另外，在专利文献I的180度通电方式的驱动中，虽然能不使用感应电压检测电路等而将流过电动机的电流控制为正弦波状，但由于必须在电压、电流的I周期之间总是进行开关动作，因此开关损耗增加从而电力变换电路的效率降低。
[0016]另外，专利文献3中公开的技术在使用进行PWM控制的三相的电力变换装置来进行矢量控制的情况下仅在电流值接近于零的相，使开关休止来进行2相调制。但是，由于未出现电流的休止期间，因此会发生电动机的铜损。
[0017]S卩，即使使用专利文献3记载的2相调制方式也不能减少PWM控制的开关损耗来提升电力变换装置的效率。
【发明内容】
[0018]本发明鉴于这样的状况而提出，目的在于提供PWM控制时的开关损耗的高效率的电力变换装置。
[0019]用于解决课题的手段
[0020]为了解决所述课题，本发明的电力变换装置是使用矢量控制方式、通过PWM控制进行电力变换的电力变换装置，具备:脉冲控制部，其输出用于进行所述PWM控制的脉冲信号；电力变换电路，其使用从所述脉冲控制部输出的脉冲信号来将直流电变换为交流电；电流检测部，其检测所述电力变换电路的电流；矢量控制部，其基于由所述电流检测部检测出的电流进行矢量控制，生成给所述脉冲控制部的指令电压；和脉冲停止控制部，其在以所述电力变换电路的电流相位为基准的脉冲停止区间生成使所述脉冲信号停止的脉冲停止控制信号，并将所述脉冲停止控制信号输出给所述脉冲控制部，所述脉冲控制部输出能保障栅极驱动器的动作的时间宽度的脉冲信号。[0021]发明的效果
[0022]根据本发明，提供满足了栅极驱动器的规格并减少了 PWM控制时的开关损耗的高效率的电力变换装置等。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是表示第I实施方式所涉及的PWM控制方式的电力变换装置的电路构成的框图。
[0024]图2是表示比较例中的流过电动机的交流电压、交流电流以及脉冲信号的关系的波形图，(a)表征PWM载波信号和施加电压指令，(b)表征U相交流电流，(c)表征脉冲信号。
[0025]图3是表示第I实施方式中的流过电动机的交流电压、交流电流以及脉冲信号与相脉冲停止控制信号的关系的波形图，(a)表征PWM载波信号和施加电压指令，(b)表征U相交流电流，(c)表征脉冲信号，(d)表征开路相控制信号(相脉冲停止控制信号)。
[0026]图4是取得具备第I实施方式的电力变换装置的实际设备的情况下的U相电压、U相电流以及脉冲信号的关系的波形图，(a)表征U相端子电压，(b)表征U相电流，(C)表征脉冲信号。
[0027]图5是表示第I实施方式的电力变换装置的相对于相脉冲停止区间(开路相区间)的电力变换电路损耗、电动机损耗以及将它们相加的综合损耗的关系的特性图。
[0028]图6是表示比较例的PWM控制方式的电力变换装置的电路构成的框图。
[0029]图7是表示第I实施方式所涉及的电力变换装置的变形例中的流过电动机的交流电压、交流电流以及脉冲信号与相脉冲停止控制信号的关系的波形图，(a)表征PWM载波信号和施加电压指令，(b)表征U相交流电流，(C)表征脉冲信号，(d)表征开路相控制信号(相脉冲停止控制信号)。
[0030]图8是表示第2实施方式所涉及的PWM控制方式的电力变换装置的电路构成的框图。
[0031]图9是表示第2实施方式的电力变换装置中的相脉冲停止区间(开路相区间)的设定例的特性图，(a)表征理想地设定为旋转速度NI的情况，(b)表征以一定的变化率从旋转速度N2变化到旋转速度N3的情况，(c)表征以规定的曲线从旋转速度N2变化到旋转速度N3的情况。
[0032]图10是第3实施方式所涉及的使用了电力变换装置的空气调节机的整体构成图。
[0033]图11是表示图10所示的空气调节机中的相对于压缩机驱动电动机的旋转速度的效率的关系的特性图。
[0034]图12是表示第I实施方式中的流过交流电动机的交流电压、交流电流以及脉冲信号、相脉冲停止控制信号的关系的波形图。(a)表征PWM载波信号和施加电压指令，(b)表征U相交流电流，(C)表征脉冲信号，(d)表征相脉冲停止控制信号。
[0035]图13是针对图12表示有相脉冲停止控制信号成为O的区间的情况下流过交流电动机的交流电压、交流电流以及脉冲信号、相脉冲停止控制信号的关系的图。(a)表征PWM载波信号和施加电压指令，(b)表征U相交流电流，(C)表征脉冲信号，(d)表征相脉冲停止控制信号。[0036]图14是针对图12表示有相脉冲停止控制信号成为O的区间的情况下流过交流电动机的交流电压、交流电流以及脉冲信号、相脉冲停止控制信号的关系的图。(a)表征PWM载波信号和施加电压指令，(b)表征U相交流电流，(C)表征脉冲信号，(d)表征相脉冲停止控制信号。
[0037]图15是表示第4实施方式所涉及的PWM控制方式的电力变换装置的电路构成的框图。
[0038]图16是针对流过交流电动机的交流电压以及脉冲信号表示相脉冲停止控制信号(开路相相位控制信号)的切换禁止区间的图，(a)表征PWM载波信号和施加电压指令，(b)表征脉冲信号。
[0039]图17是用流程图表示由第4实施方式所涉及的脉冲宽度判定部进行的处理次序的图。
[0040]图18是表示第5实施方式所涉及的脉冲宽度判定部输出脉冲起动/停止指令的定时的图，(a)表征PWM载波信号和施加电压指令，(b)表征脉冲信号。
【具体实施方式】
[0041]接下来，参考适宜附图来详细说明用于实施发明的形态(以后称作“实施方式”)。
[0042]《概要》
[0043]本实施方式所涉及的电力变换装置具备:使用PWM控制的脉冲信号将直流电变换为交流电的电力变换电路(逆变器)；和检测流过电力变换电路的电流来对该电力变换电路进行矢量控制的矢量控制部。而且，设置使以流过电力变换电路的电流相位的零交叉点为基准而确定的区间的脉冲信号停止来停止同相的上下臂的开关元件的开路相区间。由此，能减少PWM控制时的开关次数来降低开关损耗，并能通过设置开路相区间来用电流相位的零交叉点取得电动机的磁铁位置的正确的位置信息。其结果，能进行稳定的矢量控制来提升电力变换电路(逆变器)以及电动机的效率。
[0044]下面参考附图来详细说明本发明所涉及的电力变换装置1(图1的la、图6的lb、图8的11、图15的Ila)的实施方式。另外，在用于说明各实施方式的全部图中，同一构成要素原则上赋予同一标号，省略其反复的说明。另外，在以下所述的实施方式中，为了易于理解而一边与使用了现有方式的比较例进行对比一边说明本实施方式的内容。
[0045]《第I实施方式》
[0046]图1表示第I实施方式所涉及的PWM控制方式的电力变换装置Ia的电路构成。在第I实施方式的电力变换装置Ia中，如图1所示，说明在由以PWM控制进行驱动的三相逆变器所构成的电力变换电路4以矢量控制来驱动永久磁铁同步电动机的交流电动机3的情况下，对电力变换电路4的脉冲信号设置相脉冲停止区间(即开路相区间)时的控制方法。
[0047]〈电力变换装置的电路构成〉
[0048]如图1所示，电力变换装置Ia具备:由将直流电变换为交流电的3相逆变器构成的电力变换电路4 ;检测流过与电力变换电路4连接的交流电动机(电动机)3的电动机电流的相电流检测部6 ;和基于由相电流检测部6检测到相电流信息(电流)6A，在进行PWM控制时使用脉冲信号来进行矢量控制的控制装置5a。另外，电力变换电路4具备如下要素而构成:由逆并联IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)和二极管的三相构成的半导体开关元件Sup、Sun、Svp> Svn> Swp> Swn构成的电力变换主电路41 ;和基于来自脉冲控制部7的脉冲信号7A来产生提供给电力变换主电路41的IGBT的栅极信号的栅极驱动器42。
[0049]另外，控制装置5a由如下要素构成:将基于施加电压指令(指令电压)V*而控制的脉冲信号7A提供给栅极驱动器42的脉冲控制部7 ;使用由相电流检测部6检测出的相电流信息6A来进行矢量控制并算出施加电压指令V*的矢量控制部8 ;将基于通过矢量控制算出的电流的相位信息(电流相位)8A来在电流零交叉附近使相脉冲停止区间(开路相区间)δ的脉冲信号7Α停止的相脉冲停止控制信号(脉冲停止控制信号)9Α输出给脉冲控制部7的脉冲停止控制部9。
[0050]在此，矢量控制部8例如如非专利文献I (坂本等“面向家电设备的无位置传感器永久磁铁同步电动机的简易矢量控制”电学论D、Vol.124卷11号(2004年)pp.1133 一1140)和非专利文献2 (户张等“高速用永久磁铁同步电动机的新矢量控制方式的研究”电学论D、Vol.129卷I号(2009年)pp.36 — 45)所记载那样，能使用一般的矢量控制实现，例如检测逆变器输出电流并进行3相一 2相变换(dq变换；direCt-quadrature变换)，并反馈给控制系统，再度进行2相一 3相变换来驱动逆变器，关于控制方式没有特定。因此，矢量控制部8的动作由于是周知的技术，因此省略详细的说明。
[0051]〈比较例〉
[0052]在此，为了明确化第I实施方式的电力变换装置Ia中的PWM控制时的开关动作，使用图2以及图6来说明使用了现有方式的比较例的电力变换装置Ib (参考图6)中的PWM控制。图2是表示比较例中的流过交流电动机3的交流电压、交流电流以及脉冲信号的关系的波形图。另外，图2的横轴示出电压相位，在纵轴示出电压(图2(a))、电流(图2(b))以及脉冲信号(图2(c))的各电平。另外，图6表示具有比较例的PWM控制方式的电力变换装置Ib的电路构成。另外，在图6中，与图1相同标号的要素具有相同的功能。另外，矢量控制部8所进行的矢量控制是与图1的情况相同的控制方法。
[0053]图6所示的控制装置5b在脉冲控制部7如图2 (a)所示那样，比较PWM载波信号和施加电压指令vu*来生成PWM脉冲信号。另外，该施加电压指令r的指令值是以相电流检测部6所检测到的相电流信息6A为基础，由矢量控制部8进行运算而得到的值。在此，相电流检测部6进行的相电流信息6A的取得既可以是例如如特开2004 - 48886号公报的图1所公开的那样用CT (Current Transformer,电流互感器)直接检测交流输出电流的方式，也可以如该公报的图12所公开的那样用分路电阻取得直流母线的电流信息并基于该电流信息来再现相电流的方式。
[0054]接下来，使用图2来详细说明从电力变换装置Ib (参考图6)提供给交流电动机3的交流电压以及交流电流、脉冲信号的关系。图2(a)表示PWM载波信号和施加电压指令V'作为代表,示出U相施加电压指令Vu'在此，图2所示的横轴的θν表示以U相为基准的电压相位。
[0055]在PWM控制方式下，如图2(a)那样，通过在脉冲控制部7比较U相施加电压指令Vu*和三角波载波信号(PWM载波信号)来生成图2(c)所示的脉冲信号“GPU+:U相上侧元件(Sup)的脉冲信号”、“GPU-=U相下侧元件(Sun)的脉冲信号”，为了驱动电力变换主电路41而将该脉冲信号输出给栅极驱动器42。S卩，GPU+的脉冲信号和GPU-的脉冲信号成为正负(ι，ο)相反的信号。
[0056]通过由电力变换主电路41用该脉冲信号(GPU+/GPU-的脉冲信号)进行PWM控制，在交流电动机3流过图2(b)所示那样的U相交流电流Iu。在此，φ表示电压与电流的相位差。
[0057]另外，在矢量控制部8中，通过以包括U相交流电流Iu的相电流信息6Α为基础来进行矢量控制，进行电压的振幅以及电压与电流的相位差Φ的控制。
[0058]如图2所示那样，在比较例的PWM控制中，电压、电流的I周期之间总是进行开关动作来进行180度通电，开关次数多于存在开关动作停止的期间的120度通电方式和150度通电方式。因此，在180度通电中，由此引起的开关损耗变多。
[0059]〈第I实施方式中的脉冲停止控制部的动作〉
[0060]在以下的说明中，使用图1和图3来说明使进行PWM控制的脉冲信号的开关动作暂时停止的脉冲停止控制部9 (参考图1)的动作。因此，对比较例中叙述过的PWM控制的基本的动作，为了避免重复而省略说明。
[0061]图3是表示第I实施方式中的流过交流电动机3的交流电压、交流电流以及脉冲信号、相脉冲停止控制信号的关系的波形图。另外，在图3的横轴示出电压相位，在纵轴示出电压(图3 (a))、 电流(图3 (b))、脉冲信号(图3 (c))以及开路相控制信号(相脉冲停止控制信号:图3(d))的各电平。即，图3是与比较例的图2的波形图对比来表示的本实施方式的波形图。
[0062]如图3(d)所示那样，脉冲停止控制部9 (参考图1)以通过矢量控制而被控制的电流相位的零交叉点f为基准，在相位φ和相位φ + π，如下述的式(I)所示那样，在相脉冲停止区间(开路相区间)δ之间将脉冲信号GPU+、GPU-都停止开关的相脉冲停止控制信号(开路相控制信号)9A输出给脉冲控制部7。该相脉冲停止控制信号9A在脉冲信号GPU+、GPU-都停止开关的情况下输出“0”，在不停止开关而进行比较例的PWM控制方式的开关的情况下输出“I”(参考图3(d))。
[0063][数I]
[0064]
【权利要求】
1.一种电力变换装置，其使用矢量控制方式，通过PWM控制来进行电力变换，所述电力变换装置的特征在于，具备: 脉冲控制部，其输出用于进行所述PWM控制的脉冲信号； 电力变换电路，其使用从所述脉冲控制部输出的脉冲信号来将直流电变换为交流电； 电流检测部，其检测所述电力变换电路的电流； 矢量控制部，其基于所述电流检测部检测出的电流，进行矢量控制，生成提供给所述脉冲控制部的指令电压；和 脉冲停止控制部，其生成在以所述电力变换电路的电流相位为基准的脉冲停止区间使所述脉冲信号停止的脉冲停止控制信号，并将所述脉冲停止控制信号输出给所述脉冲控制部， 所述脉冲控制部输出能保障栅极驱动器的动作的时间宽度的脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于， 所述电力变换装置还具备脉冲宽度判定部，该脉冲宽度判定部在所述脉冲信号使设定时间宽度以下的脉冲发生的情况下，延迟进行所述PWM控制的区间和所述脉冲停止区间的切换。
3.根据权利要求2所述的电力变换装置，其特征在于， 所述脉冲宽度判定部在同相的上下臂的开关元件都停止的空载时间区间，切换进行所述PWM控制的区间和所述脉冲停止区间。
4.一种电动机驱动装置,其具备: 权利要求1?3中任一项所述的电力变换装置；和 由所述电力变换电路输出的交流电所驱动的电动机， 所述电动机驱动装置的特征在于， 在所述电动机的旋转速度为设定值以上的情况下，所述脉冲控制部不设置所述脉冲停止区间。
5.一种空气调节机，具备: 权利要求1?3中任一项所述的电力变换装置；和 由所述电力变换电路输出的交流电所驱动的压缩机， 所述空气调节机的特征在于， 在所述压缩机的旋转速度为规定值以上的情况下，所述脉冲控制部不设置所述脉冲停止区间。
【文档编号】H02P21/00GK103959637SQ201280058552
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2012年8月8日 优先权日:2011年11月30日
【发明者】右之子知惠, 田村建司, 田村正博, 初濑涉 申请人:日立空调·家用电器株式会社