专利名称：：电动机驱动装置的制作方法
技术领域：
：本发明涉及利用例如矩阵变换器等交流交流直接变换装置，将多相交流电压变换成任意大小和频率的多相交流电压，从而驱动电动机的电动机驱动装置，特别涉及通过限制电动机电流的振幅，从而能够在防止电动机或电力变换装置的过热、损伤的同时使其连续运行的电动机驱动装置。
背景技术：
：在利用以变换器(inverter)和矩阵变换器(matrixconverter)为代表的电力变换装置使电动机运行的情况下，为了防止电动机或电力变换装置的过热、损伤，设置有保护装置，该保护装置监视电动机电流的振幅，并且在电动机电流超过极限水平(limitlevel)时，使构成电力变换装置的所有半导体开关元件断开以停止运行。但是，一旦电力变换装置突然停止运行，则会造成向电动机施加的电压急剧变化，因此，有可能损伤电动机或与其连接的驱动设备。此外，这不适合于希望电力变换装置连续运行的用途。因此，在后述的专利文献1中公开了如下的现有技术设置比上述极限水平低的限制水平，在电动机电流超过该限制水平的情况下，一边抑制电动机电流进一步增加，一边继续运行。图5是表示专利文献1中公开的现有技术的主要部分的框图。在图5中，102是电源，103是电力变换装置，104是电动机。输出电压指令计算单元IOO计算电力变换装置103的输出电压指令值，PWM发生单元101根据上述输出电压指令值，计算用于使电力变换装置103的半导体开关元件接通/断开的PWM模式(PWMpattern)。另一方面，向电流限制单元108输入由电源电压检测单元105检测出的电源电压和由电动机电流检测单元106检测出的电动机电流，由其计算并输出用于产生与由电动机电流检测值计算出的电流矢量相反方向的输出电压矢量的PWM模式。此外，107是设定有比电动机电流的极限水平低的限制水平的比较单元，将电动机电流检测值与上述限制水平进行比较。假设在电动机电流大于限制水平的情况下，则利用比较单元107的输出，将切换单元109切换到电流限制单元108侦lj，由此，用于产生与电流矢量相反方向的输出电压矢量的PWM模式，通过切换单元109被提供给电力变换装置103。由此，电动机电流减少，能够将其振幅抑制在上述极限水平以下，因此，能够一边使电力变换装置103连续运转，一边防止过电流流过电动机104。另一方面，相对于上述专利文献1的现有技术，在先申请的特愿2005—238593号中公开了为了降低计算负荷从而降低输出电流波动，利用电力变换装置输出零电压的发明(该在先申请在本申请提出时还没有公开)。图6是表示该在先申请的发明的主要部分的框图，与图5中具有相同功能的部分采用相同的符号。与图5的不同点是设置了零电压发生单元110代替电流限制单元108，零电压发生单元110根据电源电压，选择输出相电压全部相等的PWM模式并输出。在上述结构中，当电动机电流大于限制水平时，通过切换单元109，将来自零电压发生单元110的PWM模式提供给电力变换装置103。电力变换装置103例如对所有的输出相输出电源102的最大相电压。如果所有的输出相的电压相等，则线间电压为零，因此，电动机电流减少，其振幅不会达到极限水平以上。专利文献l:特开2004—180390号公报(、图1等)在图5所示的专利文献1的现有技术中，因为输出与电动机电流矢量相反方向的电压矢量，所以降低电流的效果高，但由于使电力变换装置103的输出电压急剧变化，所以输出电流中出现的波动(ripple)变大。在使用矩阵变换器等交流交流直接变换装置作为电力变换装置103的情况下，电源102和电动机104由双向的半导体开关直接连接，因此，如果输出电流中存在波动，则输入电流也会变形(distort)。输出电流的波动会引起电动机104的转矩脉动或噪声，因此不优选，此外，输入电流的波动会引起与电源102连接的其它设备的误动作等，因此同样不优选。另一方面，根据图6所示的在先申请的发明，在像制动时那样使能量从电动机104向电力变换装置103侧再生的动作条件下，电动机电流有可能不减少反而增加。下面，对在再生动作中电力变换装置103输出零电压时电动机电流增加的原因进行说明。图7是表示在图6中的电力变换装置103是矩阵变换器、电动机104是同步电动机的情况下，矩阵变换器的一个输出相的电路图。设矩阵变换器的输出电压为v。、电动机产生的感应电压为em、电动机的初级线圈电阻为R,、初级同步电感为L。、初级角频率为co，则驱动时的电动机电流由公式1表示。[公式1]i°=di.~~^~(v。—O另一方面，再生制动动作中的电动机电流由公式2表示。[公式2]1io—nit(emV。)R丄十Ja)LCT将公式1和公式2进行比较，可以看出，输出电压v。和感应电压em的符号相反。在图6的结构中，使矩阵变换器(电力变换装置103)的输出电压迅速为零，在公式1表示的驱动时是使v。=0，由此，i。减少。但是，在公式2表示的再生制动时，若使v。=0，则右边的(em—v。)比使vfO之前变大，因此，电动机电流i。反而增加。用图7的电路图对此进行说明，通过使v。-0，在矩阵变换器内使感应电压em短路，因此电流i。增加。此外，作为具有能量缓冲器(energybuffer)的电压型变换器的电流限制方式，已知有在特开平3—74175号(专利第2745691号)公报中记载的方式，该文献公开了当电流矢量的大小超过限制值时，选择位置与上述电流矢量的相反方向的矢量最近的电压矢量，并使电压型变换器输出该电压矢量。但是，在矩阵变换器等直接变换装置中，PWM脉冲的产生方法与变换器不同，因此，难以将该现有技术直接应用于直接变换装置。
发明内容因此，本发明要解决的课题是提供一种电动机驱动装置，该电动机驱动装置在利用矩阵变换器等交流交流直接变换装置驱动电动机时，不会产生因电动机电流的急剧变化而造成的波动，在驱动和制动(再生制动)的任一情况下，都能够使电动机电流减少，并且能够使直接变换装置安全地连续运行。为了解决上述课题，本发明的第一方面提供一种电动机驱动装置，利用将多相交流电压直接变换成任意大小和频率的多相交流电压的交流交流直接变换装置驱动电动机，在电动机电流为限制水平(restrictionlevel)以下时，向上述变换装置提供第一输出电压指令值，使上述变换装置运行，其特征在于，上述电动机驱动装置包括检测电动机电流的电流检测单元；检测电动机电流检测值是否超过限制水平的比较单元；计算上述电动机的感应电压的感应电压计算单元；和当上述比较单元检测出电动机电流检测值超过限制水平时，代替上述第一输出电压指令值，将上述感应电压计算单元计算出的感应电压作为第二输出电压指令值提供给上述变换装置的单元。第二方面的发明的特征在于，在第一方面中，上述感应电压计算单元使用上述第一输出电压指令值、电动机电流检测值和电动机电常数，计算感应电压。第三方面的发明的特征在于，在第一方面中，上述感应电压计算单元使用上述变换装置的输出电压检测值、电动机电流检测值和电动机电常数，计算感应电压。在本发明中，为了限制电动机电流的振幅，计算出电动机的感应电压，并将该感应电压作为第二输出电压指令值代替通常时的第一输出电压指令值而提供给电力变换装置，由此使电力变换装置的输出电压与上述感应电压相等。由此，与驱动时、制动时等电动机的运行状态无关，能够将电动机电流抑制在限制水平以下，从而能够不产生电力变换装置的输出电压的急剧变化，使其安全地连续运行。图1是表示本发明的第一实施方式的框图。图2是表示图1中的感应电压计算单元的结构的框图。图3是表示本发明的第二实施方式的框图。图4是表示图3中的感应电压计算单元的结构的框图。图5是表示现有技术的主要部分的框图。图6是表示在先申请的发明的主要部分的框图。图7是在在先申请的发明中，用矩阵变换器驱动同步电动机的情况下，一个输出相的电路图。符号说明1矩阵变换器2、2A感应电压计算单元3输出电压检测单元21、21A、24坐标变换单元22驱动/制动判断单元23计算块(感应电压计算式)25矩阵变换器电压指令计算单元100输出电压指令计算单元101PWM发生单元102电源104电动机105电源电压检测单元106电动机电流检测单元107比较单元109切换单元具体实施方式下面，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。首先，图1是表示第一方面和第二方面的本发明的第一实施方式的框图，与图5和图6中具有相同功能的结构要素采用相同的编号，省略其说明，下面，以与其不同的部分为中心进行说明。在图1中，1是作为交流交流直接变换装置的矩阵变换器，由将电源102和电动机104直接连接的多个双向开关构成。例如，在电源102是三相交流电源、电动机104是三相同步电动机的情况下，在各三相的输入输出端子之间，合计连接有9个双向开关，这些双向开关例如通过将2个具有反向耐压性能的IGBT等半导体开关元件反并联连接而构成。2是计算电动机104产生的感应电压的感应电压计算单元，向其输入来自电动机电流检测单元106的电动机电流检测值、来自电源电压检测单元105的电源电压检测值、和来自输出电压指令计算单元100的第一输出电压指令值(电动机电流为限制水平以下的通常时的输出电压指令值)。然后，由感应电压计算单元2计算出的感应电压，作为对矩阵变换器1的第二输出电压指令值(电动机电流超过限制水平，需要限制电流时的输出电压指令值)，被输入至切换单元109的一个切换端子，来自上述输出电压指令计算单元100的第一输出电压指令值被输入至另一个切换端子。切换单元109与图5和图6同样地根据比较单元107的输出对切换端子进行切换。在由比较单元107检测出电动机电流的振幅超过限制水平的情况下，将切换单元109与感应电压计算单元2侧连接，由该单元2计算出的感应电压作为输出电压指令值，通过切换单元109被提供给PWM发生单元IOI。下面，对本实施方式的电动机电流的限制原理进行说明。从上述的公式l、公式2可知，如果使v。^m，则与驱动、制动无关，由电动机的初级线圈产生的电压降为零，因此，能够使电动机电流减少。即，只要控制成使得矩阵变换器1的输出电压与电动机104的感应电压相等即可。在此，参照图2，对感应电压计算单元2的结构和作用进行说明。此外，设电动机104为同步电动机。设从图1的输出电压指令计算单元100提供给矩阵变换器1的三相的输出电压指令值为vu*、vv*、vw*，图2的坐标变换单元21利用公式3将上述输出电压指令值v/、vv*、v^变换成垂直的交流二轴成分Va*、Ve、[公式3]<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>坐标变换单元21同样地利用公式4将三相的电动机电流检测值iu、iv、iw变换成垂直的交流二轴成分iu、iP。[公式4]<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>进一步，坐标变换单元21将上述vZ、ve*、ia、ie变换至以初级角频率co旋转的坐标(d—q坐标)上，得到公式5和公式6。其中，e=fodt，e可以根据由速度传感器得到的速度检测值、速度指令值、或速度推测值求出。[公式5]<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>[公式6]<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>驱动/制动判断单元22利用公式7从公式5、公式6计算瞬时有效功率P。[公式7]<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>驱动/制动判断单元22在p》0的情况下判断为驱动，在p<0的情况下判断为制动(再生制动)，分别输出驱动判断信号和制动判断信号。在同步电动机中，定子和转子的位置相等，因此，感应电压的d轴成分ed为零。另一方面，感应电压的q轴成分eq根据电动机的电压方程式像公式8那样进行计算。在此，公式8中的电动机参数(电动机电常数)L。可以使用测定值，也可以使用推测值。[公式8]<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>将由相当于公式8的计算块23得到的感应电压的d轴成分ed(=0)和q轴成分eq作为指令值，坐标变换单元24将上述指令值变换成三相交流电压成分e/、ev*、ew*。与变换器不同，矩阵变换器通过直接对电源电压进行PWM控制而得到电压，因此，为了输出期望的感应电压，需要电源电压的振幅信息。因此，矩阵变换器电压指令计算单元25，像公式9那样，用电源电压的大小IVjI去除eu*、ev*、ew*，计算出修正后的输出电压指令值、*、？i/、k*，并且将它们作为第二输出电压指令值，输出至切换单元109侧。其中，IVjIVia和Vjp是电源电压的交流二轴成分。[公式9]<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>此后计算矩阵变换器1的半导体开关元件的接通/断开期间的方法有多种，但由于不是本发明的主要部分，所以省略其说明。当电动机电流超过限制水平时，图1中的切换单元109，根据比较单元107的输出，选择基于公式9的第二输出电压指令值，向PWM发生单元101输出。当电动机电流减少、低于限制水平时，再次选择来自输出电压指令计算单元100的第一输出电压指令值(通常的输出电压指令值)、并提供给PWM发生单元lOl，由此进行正常运行。这样，在本实施方式中，当电动机电流超过限制水平时，不是直接切换PWM模式，而是将输出电压指令值切换为与电动机的感应电压相等的值，由此进行电流限制，因此，能够防止因脉冲波形(pulsepattern)急剧变化而造成的输出电流的波动增加，进而能够减少输入电流的波动。此外，在上述第一实施方式中说明的感应电压的计算方法、即图2的结构只是一个例子，也可以不进行坐标变换而直接用交流成分计算，也可以使用感应电压观测器(inductionvoltageobserver)根据电动机型号(motormodel)推测感应电压。此外，本实施方式作为对象的电动机104并不限定于同步电动机，如果根据电动机的电压方程式改变公式8，则也能够应用于感应电动机。接下来，图3是表示第一方面和第三方面的本发明的第二实施方式的框图。该实施方式与第一实施方式的不同在于，在感应电压的计算中使用矩阵变换器1的输出电压检测值。艮P，在图1中追加输出电压检测单元3，将其的电压检测值输入感应电压计算单元2A，用于计算感应电压。在第一实施方式中，如果感应电压存在计算误差，则限制电流时的输出电压指令不等于真的感应电压，公式1或公式2中的v。二em不成立，电动机电流的限制效果降低。此外，感应电压的计算误差包括电动机参数的误差和计算延迟引起的误差等各种误差，半导体开关元件的换码误差(commutationerror)(在矩阵变换器中，为了同时防止电源短路和负荷端开路，在开关模式中设置中止期间(haltperiod)而产生的电压误差)和因半导体开关元件的接通电压降而造成的输出电压误差占很大的比例。着眼于这一点，在第二实施方式中，检测由矩阵变换器1向电动机104实际施加的输出电压，使用此电压检测值计算感应电压，由此，减少计算误差，公式l或公式2中的v。二^总是成立，从而提高限制电流效果。图4是图3中的感应电压计算单元2A的框图。艮P，在图4中，将由图3的输出电压检测单元3检测出的电压检测值输入坐标变换单元21A，与第一实施方式同样，利用坐标变换，求出旋转坐标上的二轴成分vd、vq。即，用电压检测值Vu、vv、代替公式3中的v/、vv*、vw*，求出二轴成分vu、v"用v。、ve代替公式5中的v。、v,，求出vd、vq。此后，用vq代替公式8的v/，用计算块23计算出感应电压的q轴成分eq，以该和ed作为指令值ej和ed*(=0)，利用坐标变换单元24再次将其变换成三相交流电压成分e/、ev*、ew*。以后与图2相同，所以省略说明。根据该实施方式，将使用矩阵变换器1的实际输出电压计算出的感应电压，作为限制电流时的输出电压指令值输出，因此，感应电压的计算误差减少，能够使公式l或公式2中的v。二em总是成立。结果，能够可靠地限制电动机电流，能够使电力变换装置连续运行。此外，在上述各实施方式中，将切换单元109设置在感应电压计算单元2或2A与PWM发生单元101之间，但也可以根据计算出的感应电压预先生成PWM模式、并将其存储在存储单元中，并且在PWM发生单元101和矩阵变换器1之间设置切换单元，用切换单元对来自PWM发生单元101的通常运行时的PWM模式和存储在上述存储单元中的限制电流时的PWM模式进行切换，并将其提供给矩阵变换器1。权利要求1.一种电动机驱动装置，利用将多相交流电压直接变换成任意大小和频率的多相交流电压的交流交流直接变换装置驱动电动机，在电动机电流为限制水平以下时，向所述变换装置提供第一输出电压指令值，使所述变换装置运行，其特征在于，所述电动机驱动装置包括检测电动机电流的电流检测单元；检测电动机电流检测值是否超过限制水平的比较单元；计算所述电动机的感应电压的感应电压计算单元；和当所述比较单元检测出电动机电流检测值超过限制水平时，代替所述第一输出电压指令值，将所述感应电压计算单元计算出的感应电压作为第二输出电压指令值提供给所述变换装置的单元。2.如权利要求l所述的电动机驱动装置，其特征在于所述感应电压计算单元使用所述第一输出电压指令值、电动机电流检测值和电动机电常数，计算感应电压。3.如权利要求l所述的电动机驱动装置，其特征在于所述感应电压计算单元使用所述变换装置的输出电压检测值、电动机电流检测值和电动机电常数，计算感应电压。全文摘要本发明提供一种电动机驱动装置，在交流交流直接变换装置中，不产生因电动机电流的急剧变化而造成的波动，在驱动或制动时，能够使电动机电流减少，并且能够使变换装置安全地连续运行。在利用矩阵变换器(1)等交流交流直接变换装置驱动电动机的电动机驱动装置中，包括检测电动机电流的电流检测单元(106)；检测电动机电流检测值是否超过限制水平的比较单元(107)；计算电动机的感应电压的感应电压计算单元(2)；当比较单元(107)检测出电动机电流超过限制水平时，将感应电压计算单元(2)计算出的感应电压作为输出电压指令值，并将其提供给矩阵变换器(1)的切换单元(109)和PWM发生单元(101)。文档编号H02P27/06GK101257279SQ20071008611公开日2008年9月3日申请日期2007年3月1日优先权日2007年3月1日发明者佐藤以久也,小高章弘申请人:富士电机机器制御株式会社