专利名称：功率变换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及不使用速度检测器就能够使交流旋转电机再起动的功率变换装置 (power converting apparatus)，特别涉及使从在惰力运行到再起动的过程中、运行中由于停电等中断了功率变换装置的交流输出而处于自由旋转(free rim)状态的交流旋转电机再起动的功率变换装置。
背景技术：
在使没有被功率变换装置驱动的自由旋转状态的交流旋转电机再起动的情况下， 需要使从功率变换装置供给的输出电压的频率、相位、以及振幅，与自由旋转状态的交流旋转电机的旋转频率、剩余电压相位、以及振幅一致。如果在电压相位和振幅中有差的话，对功率变换装置流过大的电流，如果在频率中有差的话，使交流旋转电机中产生急剧的转矩。作为消除这样的问题的方案，在下述专利文献1中公开的现有技术中，通过在对磁通估计值进行运算的感应电机电动机模型部、和输入来自感应电动机模型部的磁通估计值来对电流估计值进行运算的电动机电流估计部之间，设置在电动车辆从惰力运行到再起动的过程中对磁通估计值的上升进行校正的磁通估计值校正部，从而降低对处于自由旋转状态的交流旋转电机进行再起动时的不稳定性。专利文献1 日本特开2002-374699号公报。
发明内容
发明要解决的问题
可是，在上述的专利文献1记载的现有技术中，由于对1次(primary)、2次 (secondary) d轴磁通估计值设定根据磁通指令等计算的适当的值，所以有如下课题，即由于再起动时速度估计值少许降低，所以存在直流侧的电压上升的情况。此外，在上述专利文献1的现有技术中，没有针对使用2个速度估计单元的持续性进行记载。本发明正是鉴于上述情况而完成的，其目的在于获得一种不使用旋转检测器，能够进一步降低在使处于自由旋转状态的交流旋转电机再起动时的转矩冲击的功率变换装置。用于解决课题的方案
为了解决上述课题，实现目的，本发明的功率变换装置，具备功率变换器，将直流电压变换为交流电压并向交流旋转电机施加；以及控制部，基于来自外部的运行指令，对所述功率变换器进行控制，该功率变换装置的特征在于，具备第1运算部，根据在所述交流旋转电机中检测出的电流信息和基于所述运行指令的电流指令值，运算并输出对所述功率变换器的第1电压指令值、所述交流旋转电机的磁通、以及作为所述交流旋转电机的自由旋转速度的第1速度；以及第2运算部，将从所述第1运算部输入的所述第1速度和所述交流旋转电机的磁通的至少1个作为初始值，运算并输出对所述功率变换器的第2电压指令值、以及作为所述交流旋转电机的驱动速度的第2速度。
发明的效果
根据本发明，能够获得如下效果，与交流旋转电机是停止还是在自由旋转中无关地， 根据控制模式信号判断电压指令的值，根据该判断结果切换电压指令，因此获得如下效果， 即，能够实现在使处于自由旋转状态的交流旋转电机再起动时的转矩冲击的进一步降低。
图1是表示实施方式1涉及的功率变换装置的结构例的框图。
图2是说明实施方式1涉及的功率变换装置的各信号的工作的时间图。
图3是表示第1运算部的结构的框图。
图4是表示电流控制部的结构的框图。
图5是表示第2运算部的结构的框图。
图6是表示电压指令切换部的结构的框图。
图7是表示速度切换部的结构的框图。
图8是表示根据实施方式2的功率变换装置的结构例的结构图。
图9是表示根据实施方式2的第2运算部的结构的一例的图。
图10是用于说明速度校正部的工作的图。
附图标记说明
1感应电机(交流旋转电机)；
2功率变换器；
3a、3b、3c电流检测部；
4三相/dq变换部；
5 dq/三相变换部；
6相位运算部；
7速度切换部；
8电压指令切换部；
9第1运算部；
10第2运算部；
11电流指令部；
12控制切换部；
13 2次d轴磁通运算部；
14a、14b减法器；
15除法器；
16电流控制部；
17a、17b电阻值增益部；
18、31a、31b、31c、31d 积分部；
19a、19b减法器；
20a、20b切换部(电流切换部)；
21a、21b、22a、22b 乘法器；
23a、23b积分部；24a、24b、27 加法器；
25电压指令运算部；
26转差频率运算部；
28电动机频率估计部；
29转子旋转频率估计部；
30磁通估计部；
32a、32b切换部(电压切换部)；
35切换部；
33a、33b比较器；
34a,34b逻辑积部；
36第2运算部；
37速度校正部；
38电容器；
50第1电压指令切换判断部；
51第2电压指令切换判断部；
60控制部；
chsg控制模式信号；
dpds、dpqs、dpdr、dpqr 微分值；
id d轴电流检测值(电流信息)；
iq q轴电流检测值(电流信息)；
iu、iv、iw相电流(电流信息)；
id*l第1运算部用d轴电流指令(电流指令值)；
iq*l第1运算部用q轴电流指令(电流指令值)；
id*2第2运算部用d轴电流指令(电流指令值)；
iq*2第2运算部用q轴电流指令(电流指令值)；
ids d轴电流估计值；
iqs q轴电流估计值；
Kp电流控制比例增益；
KI电流控制积分增益；
PB运行指令；
PMF调制率；
Pds 1次d轴磁通估计值； pqs 1次q轴磁通估计值； Pdr 2次d轴磁通估计值； pqr 2次q轴磁通估计值； Vd* d轴电压指令(电压指令值)； Vq* q轴电压指令(电压指令值)；
Vd*l在第1运算部运算的d轴电压指令(第1电压指令值)； Vq*l在第1运算部运算的q轴电压指令(第1电压指令值)；Vd*2在第2运算部运算的d轴电压指令(第2电压指令值)； Vq*2在第2运算部运算的q轴电压指令(第2电压指令值)； Φ 8 1次d轴磁通； Φ dr 2次d轴磁通；
ω 自由旋转中的感应电机的角频率(第1速度)； ω 2逆变器角频率(第2速度)； ωτ电动机角频率； "S转差角频率。
具体实施例方式以下，基于附图详细地说明本发明涉及的功率变换装置的实施方式。再有，本发明并不被该实施方式限定。实施方式1
图1是表示实施方式1涉及的功率变换装置的结构例的框图，图2是说明实施方式1 涉及的功率变换装置的各信号的工作的时间图。在图1中，功率变换装置构成为作为主要的结构具有作为控制部60而发挥功能的控制切换部12 ；电流指令部11 ；第1运算部9 ；第 2运算部10 ；速度切换部7 ；电压指令切换部8 ；相位运算部6 ；三相/dq变换部4 ；dq/三相变换部5;以及功率变换器2。作为交流旋转电机的感应电机1与将直流变换为任意频率的交流的功率变换器2 连接，功率变换器2对感应电机1施加三相的电压。交流侧的电流检测部3a、3b、3c对在感应电机1产生的三相的相电流iu、iv、iw进行检测。该相电流iu、iv、iw被赋予给dq/三相变换部5。再有，在图1中，对连接功率变换器2和感应电机1的3根连接线记载有作为交流侧的电流检测部3a、3b、3c的CT等(电流互感器)，但使用其它的公知的手法来检测相电流也可。此外，因为iu+iv+iw=0的关系成立，所以如果例如对u相和ν相的2根连接线配置 CT的话，w相的相电流iw能够根据u、v2相部分的检测电流来求取，所以省略w相的电流检测部3c也可。此外，在本实施方式涉及的功率变换装置中，作为一例说明将交流旋转电机作为感应电机1进行控制的情况下的实施方式的效果，但当然感应电机1作为同步电机也能期待同样的效果。此外，本实施方式涉及的功率变换装置除了交流旋转电机之外，例如作为对线性感应电动机、线性同步电动机、螺线管等的电磁致动器进行驱动控制的功率变换装置也能够应用。此外，众所周知，在将三相电压或三相电流向旋转正交二轴(rotation two-axis coordinate)进行坐标变换时，需要控制坐标轴，但基于规定的角频率ω，将作为旋转二轴坐标的控制坐标轴的相位设为Θ。该相位θ是在相位运算部6对规定的角频率进行积分的值。相位运算部6对规定的角频率ω进行积分，作为相位θ向三相/dq变换部4和dq/ 三相变换部5输出。dq/三相变换部5基于从相位运算部6输入的相位θ，将从电流检测部3a、3b、3c 获得的相电流iu、iv、iw变换为作为电流信息的dq坐标轴上的d轴电流检测值id和q轴电流检测值iq，将d轴电流检测值id和q轴电流检测值iq分别向第1运算部9和第2运算部10输出。本实施方式涉及的功率变换装置在例如被搭载在电气列车的情况下，将运行指令 PB从驾驶室向控制切换部12输入，该运行指令PB意味着表示加速的动力运行指令P或表示制动指令B的换挡指令(notch command)等。控制切换部12通过运行指令PB的输入， 生成控制模式信号chsg。控制切换部12当被输入来自外部的运行指令PB时，首先将控制模式信号chsg设为控制模式1信号，该控制模式1信号是第1控制信号，接着从输入运行指令PB起经过规定时间后，将控制模式信号chsg设为控制模式2信号，该控制模式2信号是第2控制信号。 控制模式1信号作为开始感应电机1的速度估计的触发器而发挥功能，控制模式2信号作为用于代替控制模式1信号来切换控制的信号而发挥功能。此外，上述的规定时间考虑到第1运算部9的工作时间特性，设定为正确地对作为第1速度的感应电机1的自由旋转速度(以下称为“角频率”)ω 1进行运算所需要的充分的时间。在本实施方式中，控制模式1信号的时间设定为从输入运行指令PB起比0. 1秒短的时间。由此，能够获得驾驶员从输入运行指令PB起不会觉察到功率变换器2和感应电机1 的加减速工作的延迟的效果。例如，如果该时间长的话，即使输入动力运行指令P，功率变换器和感应电机1也总是不加速，因此驾驶员感到不安，但如果缩短控制模式1的话，就能够消除这样的驾驶员的不安。从控制切换部12输出的控制模式信号chsg分别输入到电流指令部11、电压指令切换部8、速度切换部7、以及第1运算部9。电流指令部11生成作为与感应电机1对应的电流指令值的磁通轴电流指令(以下称为“d轴电流指令”)id*l和转矩轴电流指令(以下称为“q轴电流指令”)iq*l，与控制模式1信号同步输出。此外，电流指令部11生成磁通轴电流指令idM和转矩轴电流指令iqM，与控制模式2信号同步输出。在图2中，d轴电流指令id*l在控制模式信号chsg为控制模式1时输出规定的值，在控制模式信号Chsg变为控制模式2时变为零的值。即，在控制模式1时输出规定的值，除此之外输出零。此外，q轴电流指令iq*l与控制模式1、2无关地输出零。d轴电流指令idM在控制模式信号chsg为控制模式1时是零，在控制模式信号 chsg变为控制模式2时输出规定的值。q轴电流指令iqM与d轴电流指令idM同样地， 在控制模式信号chsg为控制模式1时是零，在控制模式信号chsg变为控制模式2时输出规定的值。(第1运算部)
图3是表示第1运算部9的结构的框图。第1运算部9构成为作为主要的结构具有 电流控制部16、2次d轴磁通运算部13、电阻值增益(乘法器)17a、17b、减法器14a、14b、积分部18、以及除法器15。第1运算部9将d轴电流指令id*l、q轴电流指令iq*l、d轴电流检测值id、q轴电流检测值iq、以及控制模式信号chsg作为输入，基于从与输出电压的各频率同步地进行旋转的旋转二轴(d_q轴)上的d轴电压减去d轴电阻压降后的值对磁通振幅进行运算，将从q轴电压减去q轴电阻压降后的值除以上述的磁通振幅，对自由旋转中的感应电机1的角频率ω 1进行运算。
以下，针对第1运算部9的角频率ω 的运算进行说明。在旋转二轴(d_q轴)以规定的角频率ω 1进行旋转的情况下，感应电机1的电枢(1次)磁通的d轴成分和q轴成分能够以(1)、(2)式表现。[数1]
在这里，Rs是电枢电阻。此外，感应电机1输出的转矩Tm与电枢磁通和电枢电流的外积的大小成比例，能够以(3)式表现。再有，Rii表示电动机的极对数。
[数 3]
在旋转二轴的d轴方向与电枢磁通的方向一致的情况下，成为Φ#=0。因此，当将小98=0代入(1)、(2)式时，获得(4)、(5)式。
[数 4]
艮口，如果使旋转二轴(d_q轴)与按照(4)、(5)式运算的角频率ω同步地进行旋转的话，旋转二轴的d轴方向与电枢磁通的方向一致。因此，第1运算部9以与通过乘法器17a、 减法器14a、积分部18进行(4)式右边的运算、通过乘法器17b、减法器14b、除法器15进行 (5)式右边的运算而获得的角频率ω 1同步地进行旋转的方式，决定旋转二轴(d-q轴)，因此能够使d轴方向和电枢磁通的方向一致，保持q轴电枢磁通(tqS=0。此外，电流控制部16具有如下效果，即，通过对q轴电流指令iq*l赋予零，从而能够将q轴电流iq保持为零，不使不需要的转矩产生，能够估计自由旋转中的感应电机1的速度。再有，d轴电流指令id*l赋予规定的值也可，例如赋予逐步的规定的值、一次延迟赋予规定的值也可。第1运算部9在输入运行指令PB、控制模式信号chsg为控制模式1时，仅工作预先设定的规定的时间(初始速度估计时间)。该规定的时间在电气列车用的感应电机1中，是 30msec以上且比100msec (0. 1秒)短的时间。再有，将下限值设为30msec的理由在于，发明者发现，例如在电气列车用的电动机(额定功率100k\T600kW)的情况下，电动机的2次时间常数比300msec长，当考虑第1运算部9内的电流控制部16的电流控制响应时，仅能实现比2次时间常数300msec的1/10的时间长的控制响应。因此，根据电动机的2次时间常数300msec，需要30msec以上的初始速度估计时间。第1运算部9的特征在于，通过这样设定的规定的时间，能够正确地检测自由旋转中的感应电机1的速度(旋转数)。此外，通过以比0. 1秒短的时间进行控制，能够获得初始速度估计期间不会导致驾驶员对加速、减速感到不安的效果。图4是表示电流控制部16的结构的框图。电流控制部16构成为具有减法器19a、 19b、作为电流切换部的切换部20a、20b、乘以电流控制比例增益Kp的乘法器21a、21b、乘以电流控制积分增益KI的22a、22b、以及积分部23a、23b。电流控制部16将d轴电流指令id*l、q轴电流指令iq*l、d轴电流检测值id、q轴电流检测值iq、以及控制模式信号Chsg作为输入，对q轴电压指令Vq*l和q轴电压指令 Vq* Id进行运算。切换部20a、20b在控制模式信号chsg为控制模式1的情况下，对接点B和接点C 进行连接，在为控制模式1以外时，对接点A和接点C进行连接。由于对接点A输入id*l、 iq*l以外的值、例如零，所以在从控制模式1向控制模式2转移时，d轴电压指令Vd*l和q 轴电压指令Vq*l的值输出积分部23a、23b的值。也就是说，在积分部23a、2!3b累积的值经由加法器Ma、24b从电流控制部16直接输出。再有，输入接点A的值并不限定于零。此外，在图3中，第1运算部9的2次d轴磁通运算部13根据以下所示的(6)式对2次d轴磁通Φ dr进行运算。再有，Rr表示二次电阻，M表示互感，Lr表示2次电感。[数 6]
接着，针对在控制模式信号chsg从控制模式1转移到控制模式2时，即通过第1运算部9正确地检测出自由旋转中的感应电机1的速度之后，从作为第1运算部9的输出的第1 电压指令值(Vd*l、Vq* 1)向作为第2运算部10的输出的第2电压指令值(Vd*2、Vq*2)转移的单元进行说明。(第2运算部)
图5是表示第2运算部10的结构的框图。第2运算部10构成为作为主要的结构具有 电压指令运算部25 ；转差频率运算部沈；以及电动机频率估计部观。电压指令运算部25作为矢量控制使用以下的(7)、(8)式，对d轴电压指令VdM 和q轴电压指令￥妒2进行运算。[数7]
转差频率运算部沈将d轴电流指令ic^2、q轴电流指令1妒2作为输入，根据电动机常数作为矢量控制使用以下的(9)式，对转差角频率ω s进行运算。
[数 10]
权利要求
1.一种功率变换装置，具备功率变换器，将直流电压变换为交流电压并向交流旋转电机施加；以及控制部，基于来自外部的运行指令，对所述功率变换器进行控制，该功率变换装置的特征在于，具备第1运算部，根据在所述交流旋转电机中检测出的电流信息和基于所述运行指令的电流指令值，运算并输出对所述功率变换器的第1电压指令值、所述交流旋转电机的磁通、 以及作为所述交流旋转电机的自由旋转速度的第1速度；以及第2运算部，将从所述第1运算部输入的所述第1速度和所述交流旋转电机的磁通的至少1个作为初始值，运算并输出对所述功率变换器的第2电压指令值、以及作为所述交流旋转电机的驱动速度的第2速度。
2.根据权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，具备控制切换部，当输入所述运行指令时，生成并输出第1控制信号，在从所述运行指令的输入起规定时间后，代替所述第1控制信号生成并输出第2控制信号，所述第1运算部基于所述第1控制信号，运算并输出所述第1电压指令值、所述交流旋转电机的磁通、以及所述第1速度，所述第2运算部基于所述第2控制信号，运算并输出所述第2电压指令值、以及所述第2速度。
3.根据权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，具备电压指令值切换部，基于所述第1电压指令值和所述第2电压指令值，运算并输出所述功率变换器的电压指令值。
4.根据权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，具备电压指令切换部，在所述第2电压指令值与所述第1电压指令值大约一致的时刻，从所述第1电压指令值切换到所述第2电压指令值。
5.根据权利要求4所述的功率变换装置，其特征在于，所述电压指令切换部具备 电压指令切换判断部，判断所述第2电压指令值和所述第1电压指令值是否大约一致；以及电压切换部，按照所述判断的结果，从所述第1电压指令值切换到所述第2电压指令值。
6.根据权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，具备速度切换部，在从所述第1 控制信号切换到所述第2控制信号的时刻，将所述第1速度切换为所述第2速度。
7.根据权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，所述第1运算部具备电流控制部，在从所述第1控制信号切换到第2控制信号之后，对被积分了的所述第1 电压指令值进行输出。
8.根据权利要求7所述的功率变换装置，其特征在于，所述电流控制部具备电流切换部，在从所述第1控制信号切换到所述第2控制信号的情况下，将所述电流指令值切换为零并输出。
9.根据权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，在所述第1运算部中，在对所述 d轴磁通进行运算时将q轴磁通作为零进行计算。
10.根据权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，所述第2运算部具备 速度校正部，对所述第1速度乘以规定的增益。
11.根据权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，所述规定时间是比0.1秒短的时间。
全文摘要
一种功率变换装置，具备功率变换器(2)，将直流电压变换为交流电压并向交流旋转电机(1)施加；以及控制部(60)，基于来自外部的运行指令(PB)，对功率变换器(2)进行控制，其中，具备第1运算部(9)，根据在交流旋转电机(１)中检测出的d轴电流检测值(id)、q轴电流检测值(iq)和基于运行指令(PB)的电流指令值(id*1、iq*1)，运算并输出对功率变换器(2)的第1电压指令值(Vd*1、Vq*1)、交流旋转电机(1)的磁通(φds、φdr)、以及角频率(ω1)；以及第2运算部(10)，将从第1运算部(9)输入的磁通(φds、φdr)和角频率(ω1)的至少1个作为初始值，运算并输出对功率变换器(2)的第2电压指令值(Vd*、Vq*2)、以及角频率(ω2)。
文档编号H02P27/04GK102414978SQ200980158979
公开日2012年4月11日 申请日期2009年4月27日 优先权日2009年4月27日
发明者河野雅树, 畠中启太 申请人:三菱电机株式会社